CN111817024A - 一种幅频独立连续可调的四带太赫兹吸收器 - Google Patents

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银珊
钟鹏
黄巍
李洪阳
曾德辉
张文涛
胡放荣
熊显名
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Abstract

本发明提出了一种幅频独立连续可调的四带太赫兹吸收器，该器件涉及超材料及太赫兹波应用技术领域，其主要结构包括介质衬底、所述介质衬底上表面的金属反射板、所述金属反射板上表面的介质基板、所述介质基板上表面的复合谐振结构阵列。本发明使用锑化铟及光敏硅的可调谐材料，通过控制外部温度对四个吸收频点的频率进行调谐；控制外加泵浦光源的强度，对四个吸收频点的幅度进行调控，此达到吸收峰幅度和频率独立连续可调的效果，拓宽太赫兹吸收器工作频段。本发明具备功能性强，极化不敏感，结构设计简单，实用性强等优点。

Description

一种幅频独立连续可调的四带太赫兹吸收器
技术领域
本发明涉及超材料及太赫兹波应用技术领域，具体涉及一种幅频独立连续可调的四带太赫兹吸收器。
背景技术
太赫兹电磁超材料是一种自然条件下不具备的超常物理性质的人工复合结构，而基于超材料设计的吸收器是一种新型的人工设计的吸波材料。因其厚度薄、质量轻、易调节等优点引起广大学者的关注。
吸波材料是一种可以对入射电磁波进行高效吸收或使其大幅减弱的材料，利用多种不同的损耗机制，电磁波被转化为热能或者其他形式的能量并逐渐消散，最终实现吸收的效果。
传统电磁太赫兹吸收器往往只能工作在某个确定的频率下，如果有其他频率的吸收需求，则需要重新进行设计和加工，既增加了成本又带来了很大的不便。可调太赫兹吸收器是近年来新兴的研究方向，即不改变吸收器本身的结构，而是利用组成材料的可调性质来改变其电磁特性，例如石墨烯、二氧化钒、液晶等，从而影响整个结构的吸收效果。
随着人工设计的超材料吸收体，巧妙利用各种损耗，可以在指定频率范围内实现单频、多频、宽频甚至调频吸收效果，除了频率可调谐，还涌现出幅度可调控的吸收器；另外，某些吸收器还要求对入射电磁波极化角度不敏感，但目前超材料吸收体作为一种新兴吸收材料，在技术及工艺上尚不完全成熟，导致功能相对单一，使用范围不够广阔，仍不能完全满足太赫兹吸收器功能集成、小型化的应用需要。
发明内容
鉴于以上所述现有技术存在的缺点，本发明的器件发明的主要目的是制造一种能集成多种功能的吸收器，包括吸收器件的频率和幅度独立可调，对入射电磁波的极化方向不敏感等特点，使得器件工作应用场景更加广阔，且器件具备小型化及简单化等多种优点。
本发明所要解决的技术问题是：如何实现对太赫兹吸收器的频率和幅度进行独立地连续调节。
本发明所采用的技术方案是：一种幅频独立连续可调的四带太赫兹吸收器，包括若干个周期分布的单元，每个单元包括介质衬底(1)、金属反射板(2)、所述金属反射板(2)上表面设有介质基板(3)、所述介质基板(3)上表面设有复合结构谐振单元(4)。
可选地，所述介质衬底(1)的材料为蓝宝石；所述介质衬底(1)的厚度为100um-2mm。
可选地，所述金属反射板(2)的材料为金；所述金属反射板(2)的厚度为0.1-10um。
可选地，所述介质基板(3)的材料为锑化铟；所述介质基板(3)的厚度为0.1-50um。
可选地，所述复合结构谐振单元(4)由方形结构(5)和十字形结构(6)组成，所述方形结构(5)的材料为金；所述十字形结构(6)的材料为半导体硅。
可选地，所述方形结构(5)形状的中心和周期的中心重合。
可选地，所述方形结构(5)和十字形结构(6)的厚度相同，均为0.1-10um。
可选地，所述十字形结构(6)填满方形结构(5)之间的所有的凹槽。
可选地，所述的金属反射板(2)和介质基板(3)均为正方形。
本发明提出了一种幅频独立连续可调的四带太赫兹吸收器，本发明可以通过控制外部温度对锑化铟的介电常数进行调控，进而对吸收器四个吸收频点的频率进行调谐,以此拓宽太赫兹吸收器工作频段；另外可通过控制外加泵浦光源强度的方式对半导体硅的电导率，影响吸收器的四个吸收频点的幅度进行独立调控。本发明还具备极化不敏感，结构设计简单，实用性强等优点。
附图说明
为了进一步阐述本发明所描述的内容，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。应当理解，这些附图仅作为典型示例，而不应看作是对本发明的范围的限定。
其中：
图1为本发明提供的一种幅频独立连续可调的四带太赫兹吸收器周期结构的阵列示意图；
图2为本发明提供的一种幅频独立连续可调的四带太赫兹吸收器周期结构的侧视图；
图3为本发明提供的一种幅频独立连续可调的四带太赫兹吸收器周期结构的俯视图；
图4为本发明提供的一种幅频独立连续可调的四带太赫兹吸收器周期结构的正视图；
图5为本发明提供的一种幅频独立连续可调的四带太赫兹吸收器的频率调控结果；
图6为本发明提供的一种幅频独立连续可调的四带太赫兹吸收器的幅度调控结果；
说明书的附图标记如下：
1、介质衬底；2、金属反射板；3、介质基板；4、复合结构谐振单元；5、方形结构；6、十字形结构；
具体实施方式
下面将详细参考本发明的优选实施例，其示例在附图中示出，虽然将结合优选实施例描述本发明，但是本领域技术人员应该理解，这些实施例并不是将本发明限制于这些实施例，相反，本发明旨在覆盖可包括在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的替代、修改和等同物。此外，在本发明的以下详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的透彻理解，然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实施本发明。
请参阅图2，图2为本发明电磁波吸收器的周期结构的侧视图，该电磁波吸收器由三层组成，金属反射板(2)的边长及厚度分别为50um，0.2um。中间层的介质基板(3)的厚度为4um，复合结构谐振单元(4)的厚度为0.2um，其中的十字形结构(6)的宽度为6um。
所述周期结构在xy平面上呈周期性排列组成整个器件，如图1所示。
本发明的一种幅频独立连续可调的四带太赫兹吸收器实现的物理机制如下：
通过调节外部温度值影响所述吸收器的锑化铟的介电常数，使其谐振峰频率随着温度的变化产生红移或蓝移现象，拓宽四带吸收器的工作频率范围，这里设半导体硅的电导率为0S/m时，经过仿真计算得到的吸收率曲线如图5所示。
结果显示，当外部温度较低时，此时的锑化铟的介电常数较小，此时四个频点处于低频状态，随着温度的升高，锑化铟的介电常数改变，影响介质基板的有效折射率，导致吸收器吸收谱线逐渐蓝移。
通过将不同强度的泵浦光照射到所述吸收器的结构表面的半导体硅，便会激发出大量的光生载流子，半导体硅的电导率在皮秒量级的时间里达到数万以上，此时，该区域原有的电磁响应结构便会发生改变，原本透射到介质基板里的太赫兹波随激光功率增强而降低，进而实现对吸收器幅度的随意调控，这里设外部温度为250K时，吸收器幅度调控的结果可参阅图6。
另外，由于设计的超材料单元结构具有四重旋转对称特性,因此具有极化角无关特性,并且电磁波在宽入射角度的情况下仍具有良好的吸收特性。
本发明通过将响应在四个频段的金属方形结构通过半导体光敏硅的十字形结构连接在一起,在不同强度的光照下半导体硅的电导率不同,使周期间四个方向上的金属方形结构在不导通和完全导通状态之间转换,实现了太赫兹吸收器吸收率的调控；通过调节外部温度改变锑化铟的介电常数，进而影响太赫兹吸收器的频率响应，实现对吸收频率大范围地调谐。该吸收器在太赫兹探测、光通信、生物医学、航空航天等领域具有潜在的应用价值。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

Claims (9)

1.一种幅频独立连续可调的四带太赫兹吸收器，其特征在于：包括若干个周期分布的单元，每个单元包括介质衬底(1)、所述介质衬底(1)上表面的金属反射板(2)、所述金属反射板(2)上表面的介质基板(3)、所述介质基板(3)上表面的复合结构谐振单元(4)。
2.如权利要求1所述的一种幅频独立连续可调的四带太赫兹吸收器，其特征在于，所述介质衬底(1)的材料为蓝宝石；所述介质衬底(1)的厚度为100um-2mm。
3.如权利要求1所述的一种幅频独立连续可调的四带太赫兹吸收器，其特征在于，所述金属反射板(2)的材料为金、银、铝、铜中的一种；所述金属反射板(2)的厚度为0.1-10um。
4.如权利要求1所述的一种幅频独立连续可调的四带太赫兹吸收器，其特征在于，所述介质基板(3)的材料为锑化铟；所述介质基板(3)的厚度为0.1-50um。
5.如权利要求1所述的一种幅频独立连续可调的四带太赫兹吸收器，其特征在于，所述复合结构谐振单元(4)由方形结构(5)和十字形结构(6)组成，所述方形结构(5)的材料为金、银、铝、铜中的一种；所述十字形结构(6)的材料为半导体硅。
6.如权利要求4所述的一种幅频独立连续可调的四带太赫兹吸收器，其特征在于，所述方形结构(5)形状的中心和单元的中心重合。
7.如权利要求4所述的一种幅频独立连续可调的四带太赫兹吸收器，其特征在于，所述方形结构(5)和十字形结构(6)的厚度相同，均为0.1-10um。
8.如权利要求4所述的一种幅频独立连续可调的四带太赫兹吸收器，其特征在于，所述十字形结构(6)填满方形结构(5)之间的所有的凹槽。
9.如权利要求4所述的一种幅频独立连续可调的四带太赫兹吸收器，其特征在于，所述的金属反射板(2)和介质基板(3)均为正方形。
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