CN112432907B - 可调太赫兹手性鉴别器件及可调圆极化选择器 - Google Patents

可调太赫兹手性鉴别器件及可调圆极化选择器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种可调太赫兹手性鉴别器件及可调圆极化选择器，该鉴别器件包括：金属图形层、介质层及金属层；介质层于金属层一侧，金属图形层于另一侧；金属图形层包括周期排列金属图形单元，包含设定金属图形，包括多个金属条；第二于第一条一侧平行；第三条于第二远离第一条一侧平行；第三和第二由第四连接，第四远离第三条侧边与第一条端部齐平；第三条一端向第一垂直弯折呈第五条，第五远离第三条端的与第二紧邻第一的侧边齐平，第五条侧边与第一条端部齐平；第三于第四和第五之间长度不小于第二于其之间长度；第二远离第四的端部连接条形相变物质。通过上述方案，能够达到对不同太赫兹手性分子进行灵活鉴别及圆极化选择的目的。

Description

可调太赫兹手性鉴别器件及可调圆极化选择器
技术领域
本发明涉及太赫兹器件技术领域，尤其涉及一种可调太赫兹手性鉴别器件及可调圆极化选择器。
背景技术
在红外和可见光波段，测量手性分子的圆二色谱(circular dichroism，简写为CD)特性已成为生物、化学研究手性材料的重要方法。但是由于光频能量相对较高，所激发的响应来自分子电子态的跃迁，而太赫兹波与材料的相互作用涉及的是生物大分子的转动及振动能级，对应的太赫兹电磁响应与分子整体结构的关联度更高。因此从理论上来说，测量太赫兹波段手性分子偏振响应的圆二色谱有望为鉴别分子、了解生物大分子活性以分子之间相互作用的有效手段。但是，水在太赫兹频率的强烈吸收以及缺乏高性能的太赫兹偏振器件极大限制了对天然手性物质和生理环境下圆二色谱的测量。太赫兹手性鉴别器件可以通过增强局域电磁谐振，实现亚波长分辨，大大提高手性分子圆二色谱的分辨率与灵敏度，从而有望在太赫兹频段实现手性分子和对映体的鉴别。此外，具有强圆二色谱特性的太赫兹手性鉴别器对左右旋圆极化波的吸收特性不同，从而可用作太赫兹圆极化选择器，在太赫兹通信中实现对圆极化波的极化选择功能。
现有技术中，三维螺旋结构或中间有金属柱连接的太赫兹手性鉴别器件可以产生较强的圆二色谱，但是，这些结构在太赫兹频段制备复杂，不利于实际应用，此外，这种结构的传感器一旦加工完成，其性能也就固定，从而大大限制了器件的灵活性。
发明内容
鉴于此，本发明实施例提供了一种可调太赫兹手性鉴别器件及可调圆极化选择器，以达到增加可调太赫兹手性鉴别器件灵活性的目的。
为了达到上述目的，本发明采用以下方案实现：
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种可调太赫兹手性鉴别器件，包括金属图形层、介质层以及金属层；所述介质层位于所述金属层的一侧，所述金属图形层位于所述介质层的远离所述金属层的一侧；
所述金属图形层包括周期排列的金属图形单元；所述金属图形单元包含第一设定金属图形；设定金属图形包括多个金属条；第二所述金属条位于第一所述金属条的紧邻的第一侧，且与第一所述金属条平行；第三所述金属条位于第二所述金属条的远离所述第一所述金属条的一侧，且与第二所述金属条平行设置；第三所述金属条与第二所述金属条的相互靠近的一端通过第四所述金属条连接，第四所述金属条远离第二所述金属条和第三所述金属条的侧边与第一所述金属条的第一端端部边缘齐平；第三所述金属条的另一端向第一所述金属条垂直弯折并沿直线延伸形成第五所述金属条，且第五所述金属条远离第三所述金属条的一端侧边与第二所述金属条紧邻第一所述金属条的侧边齐平，且第五所述金属条的远离第三所述金属条的侧边与第一所述金属条的第二端端部边缘齐平；
所述第三所述金属条位于第四所述金属条和第五所述金属条之间的部分的长度大于或等于所述第二所述金属条位于第四所述金属条和第五所述金属条之间的部分的长度；第三所述金属条的长度大于第四所述金属条的长度和第五所述金属条的长度；
第二所述金属条远离第四所述金属条连接的一端的端部连接有条形相变物质，且所述条形相变物质不超过第五所述金属条的远离第二所述金属条的侧边。
在一些实施例中，所述条形相变物质与第五所述金属条的靠近第二所述金属条的侧边之间有设定距离的间隙。
在一些实施例中，所述条形相变物质连接第五所述金属条的靠近第二所述金属条的侧边，且所述条形相变物质、第二所述金属条、第三所述金属条、第四所述金属条、及第五所述金属条闭合形成矩形框；所述可调太赫兹手性鉴别器件还包括第一条形金属凸出部和第二条形金属凸出部，且所述第一条形金属凸出部和所述第二条形金属凸出部分别从第四所述金属条的远离第二所述金属条的一侧和第五所述金属条的远离第二所述金属条的一侧开始分别沿第二所述金属条两端向外的方向延伸。
在一些实施例中，所述金属图形单元还包含第二设定金属图形；所述第二设定金属图形呈与第二所述金属条、第三所述金属条、第四所述金属条及第五所述金属条构成的第一形状关于第一所述金属条对称的第二形状，且所述第一形状与所述第二形状对称设置。
在一些实施例中，所述金属图形层包含多个所述金属图形单元；多个所述金属图形单元以相同的姿势排成一列，且各所述金属图形单元的第二所述金属条设置于同一直线上，相邻两个所述金属图形单元的第二所述金属条首尾相接，相邻两个所述金属图形单元中一个金属图形单元的第一条形金属凸出部和另一个金属图形单元的第二条形金属凸出部相接。
在一些实施例中，金属图形层内包括多个相同的金属图形单元，且各图形单元以相同的姿势排列形成阵列图形。
在一些实施例中，所述相变物质包括二氧化钒、石墨烯或相变合金材料Ge2Sb2Te5。
在一些实施例中，所述设定距离的距离范围为5μm～900μm；所述条形相变物质与第五所述金属条之间的间隙靠近第一所述金属条的第一端或第二端。
在一些实施例中，金属条的长和宽的长度范围分别为5μm～900μm和10μm～500μm；条形相变物质的长度范围为5μm～900μm；金属图形层的厚度范围为0.05μm～5μm；介质层的厚度范围为3μm～1000μm；所述金属层的厚度不小于0.05μm；其中，所述金属图形层的厚度小于所述介质层的厚度且所述金属图形层的厚度小于所述金属层的厚度。
根据本发明实施例的另一方面，提供了一种可调圆极化选择器，包括：如上述任一项实施例所述的可调太赫兹手性鉴别器件。
本发明实施例的一种可调太赫兹手性鉴别器件及可调圆极化选择器，通过利用相变物质的绝缘和导电转换状态，使得传感器在太赫兹频段的两种模式下都具有强的圆二色谱值。可以在太赫兹多个波段范围实现对手性样品的鉴别，通过利用该鉴别器件对左旋圆极化波与右旋圆极化波的吸收差别，并且可同时应用于太赫兹可调圆极化选择器，并增加了器件的灵活性。
本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在书面说明及其权利要求书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。
本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。附图中的部件不是成比例绘制的，而只是为了示出本发明的原理。为了便于示出和描述本发明的一些部分，附图中对应部分可能被放大，即，相对于依据本发明实际制造的示例性装置中的其它部件可能变得更大。在附图中：
图1为本发明一实施例的可调太赫兹手性鉴别器件的结构示意图；
图2为本发明一实施例的第一种可调太赫兹手性鉴别器件的结构示意图；
图3为本发明一实施例的多个周期单元的第一种可调太赫兹手性鉴别器件的结构示意图；
图4为本发明一实施例的第一种可调太赫兹手性鉴别器件在相变物质的两种状态下对左、右旋圆极化波吸收谱的示意图；
图5为本发明一实施例的第二种可调太赫兹手性鉴别器件的结构示意图；
图6为本发明一实施例的多个周期单元的第二种可调太赫兹手性鉴别器件的结构示意图；
图7为本发明一实施例的第二种可调太赫兹手性鉴别器件对左、右旋圆极化波的吸收谱的示意图；
图8为本发明一具体实施例的第一种可调太赫兹手性鉴别器件和第二种可调太赫兹手性鉴别器件对应的圆二色谱值的示意图；
图9为本发明一实施例的第三种可调太赫兹手性鉴别器件的结构示意图；
图10为本发明一实施例的多个周期单元的第三种可调太赫兹手性鉴别器件的结构示意图；
图11为本发明一实施例的第三种可调太赫兹手性鉴别器件在第一种工作模式下对左、右旋圆极化波的吸收谱的示意图；
图12为本发明一实施例的第三种可调太赫兹手性鉴别器件在第二种工作模式下对左、右旋圆极化波的吸收谱的示意图；
图13为本发明一实施例的第三种可调太赫兹手性鉴别器件在两种工作模式下的圆二色谱值的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。
由于在自然界中，绝大多数生物分子都属于手性分子。所谓手性分子是指分子结构中不存在镜面对称性。互为镜面对称的分子通常互称为对映体。电磁波在通过手性分子时，手性结构的物质具有旋光效应，对左右旋圆极化波的吸收率不同，二者的差称为圆二色谱。手性分子对左旋圆和右旋圆电磁波的吸收不同，从而体现出圆二色谱特性。不同的手性分子具有不同的圆二色谱特性，而同一手性分子的两个对映体的圆二色谱大小相同，正负不同。互为对映体的手性分子具有几乎相同的物理性质，但是在生物体中却往往存在完全不同的功能和性质。例如，一些手性分子在治疗疾病的同时，它的对映体却有可能影响生物分子的活性。因此，通过可调太赫兹手性鉴别器件对不同手性分子的鉴别以及手性分子对映体的区分在研究生命起源、药品检测、疾病诊断和治疗方面都具有重要的科学和实用价值。
图1为本发明一实施例的可调太赫兹手性鉴别器件的结构示意图，如图1所示，该实施例的可调太赫兹手性鉴别器件包括金属图形层100、介质层200以及金属层300；所述介质层200位于所述金属层300的一侧，所述金属图形层100位于所述介质层200的远离所述金属层300的一侧。
其中，金属层采用的金属材料可以为金、铝、或者铜等其他金属材料。金属层可以为金属膜或者金属板等。金属层的厚度范围可以为不小于0.05μm。例如，金属层的厚度可以为15μm、30μm、或者45μm等。由于在使用该器件的过程中，太赫兹波会穿过金属图形层以及介质层，而对金属图形层的厚度进行设置以达到使波无法从金属层穿透出去的目的。金属层的长和宽的长度范围可以为50μm～1000μm，50μm～1000μm。例如，金属层的长的长度可以为60μm、80μm或者100μm等，宽的长度可以为70μm、90μm或者120μm等。而在金属层一侧的介质层采用的材料可以为聚酰亚胺、二氧化硅或石英等其他材料，介质层的厚度范围可以为3μm～1000μm。例如，介质层的厚度可以为30μm、80μm、或者100μm等。金属层与介质层的形状可以为矩形、方形或者多边形等其它形状。金属层与介质层的形状相同且其各边的长度相等，以使金属层与介质层的连接面完全重合。介质层的长与宽的长度范围可以为50μm～1000μm。例如，介质层的长可以设置为100μm、150μm或者200μm等，宽可以设置为130μm、180μm或者210μm等。对于介质层所用材料的选取可以根据太赫兹波所需的频率范围选择合适的介电常数，进一步基于介电常数选择介质材料。例如，介质层的材料可以为聚酰亚胺，其介电常数为3.5，损耗角正切0.02。
示例性地，金属层采用的材料可以为金，介质层采用的材料为聚酰亚胺。金属层与介质层完全重合的连接面的长可以为160μm，宽为160μm，金属层与介质层的连接面均为正方形；金属层的厚度为0.4μm，介质层的厚度为60μm。
并且，利用该器件的结构对圆极化波的手性进行判断是通过在太赫兹波入射的情况下，建立该结构的一个周期，然后设定x，y方向，并设定为周期边界条件，将设定金属图形朝上的方向设定为z方向，并将该方向设置为开放边界条件，同时将此作为太赫兹波的入射端口和太赫兹波的出射端口，进一步通过仿真模拟可以得到太赫兹波的反射曲线R-+，R++，R--，R+-。下标符号“+”和“-”分别表示右旋圆极化和左旋圆极化，Rij表示入射波为j极化，反射波为i极化的情况。最后通过计算得到对右旋圆极化波的吸收曲线和左旋圆极化波的吸收曲线。其中，当圆极化波入射到可调太赫兹手性鉴别器件时，可调太赫兹手性鉴别器件对右旋圆极化波的吸收率为AR的表达式如下：
AR＝1-|R-+|2-|R++|2-|T-+|2-|T++|2；
当圆极化波入射到可调太赫兹手性鉴别器件的表面时，可调太赫兹手性鉴别器件对左旋圆极化波的吸收率AL的表达式如下：
AL＝1-|R--|2-|R+-|2-|T--|2-|T+-|2；
若是一种反射型器件，则左旋圆极化波与右旋圆极化波的传输系数可以忽略，此时可调太赫兹手性鉴别器件对右旋圆极化波的吸收率AR如下：
AR＝1-|R-+|2-|R++|2；
则可调太赫兹手性鉴别器件对左旋圆极化波的吸收率AL如下：
AL＝1-|R--|2-|R+-|2；
其中，AR表示可调太赫兹手性鉴别器件对右旋圆极化波的吸收率；AL表示可调太赫兹手性鉴别器件对左旋圆极化波的吸收率；R++表示右旋圆极化波的反射系数；R--表示左旋圆极化波的反射系数；T++表示右旋圆极化波的透射系数；T--表示左旋圆极化波的透射系数；R-+表示入射波为右旋圆极化波的交叉极化的反射系数；R+-表示入射波为左旋圆极化波的交叉极化的反射系数；T-+表示入射波为右旋圆极化波的交叉极化的透射系数；T+-表示入射波为左旋圆极化波的交叉极化的透射系数。
而圆二色谱值通过计算左旋圆极化波的吸收率的平方与右旋圆极化波的吸收率的平方的差值，得到可调太赫兹手性鉴别器件对应的圆二色谱值(CD，circulardichroism)，圆二色谱值的公式如下：
CD＝AR-AL；
其中，CD表示圆二色谱值，AR表示可调太赫兹手性鉴别器件对右旋圆极化波的吸收率；AL表示可调太赫兹手性鉴别器件对左旋圆极化波的吸收率。
而所述金属图形层100包括周期排列的金属图形单元；所述金属图形单元包含第一设定金属图形；设定金属图形包括多个金属条；第二所述金属条120位于第一所述金属条110的紧邻的第一侧，且与第一所述金属条110平行；第三所述金属条130位于第二所述金属条120的远离第一所述金属条110的一侧，且与第二所述金属条120平行设置；第三所述金属条130与第二所述金属条120的相互靠近的一端通过第四所述金属条140连接，第四所述金属条140远离第二所述金属条120和第三所述金属条130的侧边与第一所述金属条110的第一端端部边缘齐平；第三所述金属条130的另一端向第一所述金属条110垂直弯折并沿直线延伸形成第五所述金属条150，且第五所述金属条150远离第三所述金属条130的一端侧边与第二所述金属条120紧邻第一所述金属条110的侧边齐平，且第五所述金属条150的远离第三所述金属条130的侧边与第一所述金属条110的第二端端部边缘齐平；所述第三所述金属条130位于第四所述金属条140和第五所述金属条150之间的部分的长度大于或等于所述第二所述金属条120位于第四所述金属条140和第五所述金属条150之间的部分的长度；第三所述金属条130的长度大于第四所述金属条140的长度和第五所述金属条150的长度；第二所述金属条120远离第四所述金属条140连接的一端的端部连接有条形相变物质160，且所述条形相变物质160不超过第五所述金属条150的远离第二所述金属条120的侧边。
多个金属条相结合构成了设定金属图形，通过设定金属图形可以对圆极化波的手性进行判断，对所需圆极化波进行吸收，同时将不需要的圆极化波进行反射以实现手性判别的目的。根据需要进行判断的手性圆极化波可以将第二金属条120的位置可以设置在第一金属条110的左侧或者右侧，并第一金属条110可以平行放置。在第二金属条放在第一金属条左侧的情况下，则其他金属条均可以设置在第二金属条的左侧位置。设定金属图形的形状类似于框装结构，但是该结构中的第二金属条未与其相邻的第五金属条的端部进行连接，形成完整的封闭结构。每个金属条均与相对的金属条平行且相邻的金属条可以连接在一起并且与第二金属条垂直的金属条与第一金属条的外侧侧边可以齐平放置，但是由于该结构在使用的过程中，对获取不同手性的圆极化波过程中需要使用与其中心对称或镜像对称的对称结构对圆极化波进行判断，因此，为了便于使用并增加结构对圆极化波判断过程的灵活性，则将未形成框装结构的第二金属条与其一端相邻的金属条的端部进行连接，并设置了一个开口可以用于放置条形相变物质，以增加结构在使用过程的灵活性。由于相变物质可以根据外界因素或自然因素实现其结构的可逆转变，因而在结构中使用相变物质可以增加结构在使用过程的灵活性。将相变物质的端部与第二金属条未与其他金属条连接的端部进行连接，且相变物质的另一端可以延伸至第五金属条进行连接，还可以不与第五金属条进行连接。由于相变物质的端部可以与第二金属条的端部重合，因此，相变物质的端部的长和宽的长度不能超过第二金属条与相变物质连接的端部的长和宽的长度。
其中，相变物质可以包括二氧化钒、石墨烯或相变合金材料Ge2Sb2Te5(GST)等。例如，可以将二氧化钒作为条形相变物质进行使用。由于二氧化钒(Vanadium oxide,分子式VO2)是一种具有相变性质的金属氧化物，其相变温度为68℃，相变前后结构的变化导致对太赫兹波透射向反射的可逆转变，该特性可应用于智能控温薄膜领域。由于其优异的绝缘和导电转换特性，也广泛应用于电子器件。为此，该专利提出了一种基于二氧化钒的可调太赫兹手性鉴别器件，利用二氧化钒的绝缘和导电转换状态，使其在两种工作模式下都可以实现对手性分子的鉴别。
在一些实施例中，金属图形层内包括多个相同的金属图形单元，且各图形单元以相同的姿势排列形成阵列图形。
作为示例，金属图形单元的形状为正方形，其边长可以为63μm；金属图形层包括的周期个数可以为m×n，m大于等于10，n大于等于10。若每个金属图形单元为五边形或其他多边形，则金属图形层包含的周期个数可以以其他方式表示。并且，需要金属图形单元的形状可以紧密的连接在一起，且多个连接的金属图形单元之间不存在空隙。每个设定金属图形位于对应的每个金属图形单元的中央位置。若为多个周期排列的金属图形单元，则可以表示该金属图形层内存在多个设定金属图形，每个设定金属图形对应一个金属图形单元。由于在使用的过程中每个设定金属图形会存在电谐振，若两个设定金属图形之间的距离过近，则会在鉴别的过程中相互产生干扰，而影响该器件的使用效果。
并且，各金属条的长和宽的长度范围可以为5μm～900μm，且形成的金属图形的宽度范围可以为5μm～500μm。相变物质的长和宽的长度范围可以分别为5μm～900μm。例如，金属条的长可以为30μm、60μm、或者90μm等，宽可以为15μm、20μm、或者50μm等；相变物质的长可以为15μm、20μm、或者25μm等，宽可以为10μm、15μm、或者20μm等。
示例性地，第一金属条的长可以设置为70μm，宽可以设置为20μm；第二金属条的长可以设置为40μm，宽可以设置为15μm；第三金属条的长可以设置为70μm，宽可以设置为15μm；第四金属条的长可以设置为30μm，宽可以设置为15μm；第五金属条的长可以设置为30μm，宽可以设置为15μm；相变物质的长可以设置为20μm，宽可以设置为15μm。在相变物质与各金属条形成矩形框的情况下，相变物质的长还可以设置为30μm，宽可以设置为15μm。
在一些实施例中，所述条形相变物质与第五所述金属条的靠近第二所述金属条的侧边之间有设定距离的间隙。其中，设定距离的距离范围可以为5μm～900μm。由于条形相变物质没有与第五金属条完全连接，因此所有金属条与条形相变物质未能形成矩形框，所以条形相变物质与第五金属条之间的间隔距离可以为10μm、20μm、30μm、45μm或者55μm等间隔距离。并且，设置的间隔的位置可以是靠近第五金属条的一端还可以是靠近第四金属条的一端。
在一些实施例中，所述条形相变物质与第五所述金属条之间的间隙靠近第一所述金属条的第一端或第二端。
其中，设置的间隙可以使其形成开口。开口的位置不同可以使结构对吸收的手性圆极化波的极性不同。例如，开口可以在靠近第五金属条的一侧，则器件在低温的情况下对右旋圆极化波进行吸收，对左旋圆极化波进行反射；在开口靠近第四金属条的一侧，则器件在低温的情况下对左旋圆极化波进行吸收，对右旋圆极化波进行反射。
示例性地，图2为本发明一实施例的第一种可调太赫兹手性鉴别器件的结构示意图。如图2所示，金属层的材料为金，其厚度可以为0.2μm；介质层的材料为聚酰亚胺，其介电常数为3.5，损耗角正切可以为0.02，厚度d可以为30μm，介质层的长p2可以为70μm，宽p1可以为60μm。相变物质可以使用VO2二氧化钒，金属图形层的材料可以为金和VO2，其中金属条和VO2部分厚度均可以为0.2μm。金属条的长L2可以为65μm，宽w2可以为14μm，宽L1可以为20μm，第二金属条的宽w可以为9μm，长s1可以为33μm。VO2部分的宽w可以为9μm，长s2可以为16μm。并且还可以根据上述金属图形结构以及参数获得周期结构的金属图形单元构成的可调太赫兹手性鉴别器件。图3为本发明一实施例的多个周期单元的第一种可调太赫兹手性鉴别器件的结构示意图。如图3所示，以周期排列的太赫兹鉴别器件，其周期可以设置为4×4个周期单元。
图4为本发明一实施例的第一种可调太赫兹手性鉴别器件在相变物质的两种状态下对左、右旋圆极化波吸收谱的示意图。如图4所示，可以表示在VO2分别处于高温和低温两种情况下，右旋圆极化波的吸收曲线以及左旋圆极化波的吸收曲线。其中，横坐标表示频率，频率范围为0.7THz～1.1THz，纵坐标表示吸收能量。在VO2处于低温状态下，当右旋圆极化波入射到可调太赫兹手性鉴别器件时，在频率为1.022THz处的峰值吸收率为0.974。当入射波为左旋圆极化波时，在0.7THz～1.1THz范围内的吸收率均低于0.11。因此，该器件在VO2为低温状态的情况下，频率为1.022THz的情况下，对左旋圆极化波与右旋圆极化波具有的吸收效果呈现完全不同的状态。在VO2处于高温状态下，当右旋圆极化波入射到可调太赫兹手性鉴别器件时，在频率为0.895THz处的峰值吸收率为0.945。当入射波为左旋圆极化波时，在0.7THz～1.1THz范围内的吸收率均低于0.1。因此，该器件在VO2为高温状态，频率为0.895THz的情况下，对左旋圆极化波与右旋圆极化波具有的吸收效果呈现完全不同的状态。由于左旋圆极化波的吸收率与右旋圆极化波的吸收率的差值为圆二色谱值，因此，可以表示其具有强的圆二色谱值。此外，还可以将VO2设置在靠近第四金属条的端部的位置，与第一种可调太赫兹手性鉴别器件的设定金属图形形成镜像对称的结构。
图5为本发明一实施例的第二种可调太赫兹手性鉴别器件的结构示意图。如图5所示，第二种金属图形单元层的设定金属图形的形状可以与第一种金属图形单元层的设定金属图形呈镜像对称，其结构参数也均可以与第一种金属图形单元层参数一致。
图6为本发明一实施例的多个周期单元的第二种可调太赫兹手性鉴别器件的结构示意图，如图6所示，多个周期单元的第二种可调太赫兹手性鉴别器件的周期单元个数与第一种可调太赫兹手性鉴别器件相同，其周期单元可以为4×4个。
图7为本发明一实施例的第二种可调太赫兹手性鉴别器件对左、右旋圆极化波的吸收谱的示意图。如图7所示，图7与图4中的曲线形状虽然完全一致，但本质区别是在1.022THz和0.895THz处(即，分别对应VO2处于低温和高温状态)，第一种器件和第二种器件在相应频率范围内对左右旋圆极化波的吸收效果正好相反。第二种器件对左旋圆极化波呈现强烈的吸收，对右旋圆极化波吸收很小。而第一种器件对右旋圆极化波呈现强烈吸收，对左旋圆极化波吸收很小。
图8为本发明一实施例的第一种可调太赫兹手性鉴别器件和第二种可调太赫兹手性鉴别器件对应的圆二色谱值的示意图。如图8所示，由于在VO2处于低温和高温两种状态时，第一种可调太赫兹手性鉴别器件和第二种可调太赫兹手性鉴别器件对两种极化方式圆极化波的吸收效果刚好相反，且第一种可调太赫兹手性鉴别器件的圆二色谱值与第二种可调太赫兹手性鉴别器件的圆二色谱值大小相同，符号相反。当VO2处于低温状态时，两种结构在1.022THz处圆二色谱曲线对应的峰值幅度为0.938，这说明在该频率点处传感器对左、右旋圆极化波的吸收效果的差别大，从而具有强的圆二色谱值。当VO2处于高温状态时，两种结构在0.895THz处圆二色谱曲线对应的峰值幅度为0.885，同样说明在该频率点处传感器对左、右旋圆极化波的吸收效果的差别大，从而具有强的圆二色谱值。
此外，还可以通过条形相变物质与多个金属条连接形成矩形框。
图9为本发明一实施例的第三种可调太赫兹手性鉴别器件的结构示意图。如图9所示，所述条形相变物质连接第五所述金属条的靠近第二所述金属条的侧边，且所述条形相变物质、第二所述金属条、第三所述金属条、第四所述金属条、及第五所述金属条闭合形成矩形框；所述可调太赫兹手性鉴别器件还包括第一条形金属凸出部a和第二条形金属凸出部b，且所述第一条形金属凸出部a和所述第二条形金属凸出部b分别从第四所述金属条的远离第二所述金属条的一侧和第五所述金属条的远离第二所述金属条的一侧开始分别沿第二所述金属条两端向外的方向延伸。
此外，设定金属图形除了使用通过金属条和相变物质构成的非对称结构的金属图形，还可以使用左右对称结构的金属图形。
在一些实施例中，所述金属图形单元还包含第二设定金属图形；所述第二设定金属图形呈与第二所述金属条、第三所述金属条、第四所述金属条及第五所述金属条构成的第一形状关于第一所述金属条对称的第二形状，且所述第一形状与所述第二形状对称设置。
其中，由第二金属条、第三金属条、第四金属条、第五金属条构成的金属图形可以与第一形状互为对称图形，均可以在第二金属条的同一端设置相变物质，并且两个图形可以关于第一金属条对称。并将具有该图形的金属图形单元排列，形成金属图形层。
在一些实施例中，所述金属图形层包含多个所述金属图形单元；多个所述金属图形单元以相同的姿势排成一列，且各所述金属图形单元的第二所述金属条设置于同一直线上，相邻两个所述金属图形单元的第二所述金属条首尾相接，相邻两个所述金属图形单元中一个金属图形单元的第一条形金属凸出部和另一个金属图形单元的第二条形金属凸出部相接。
具体地，金属图形单元内的设定金属图形由第二设定金属图形与第一设定金属图形关于第一金属条对称构成，并可以将多个该金属图形单元进行周期性排列形成金属图形层，并且该金属图形成内的同一列的金属图形的第二金属条均可以连接在一起，连接后的多个第二金属条的长度可以等于与其平行的金属图形层的边的长度。
参见图9，因为第三种可调太赫兹手性鉴别器件包含两条VO2，所以第三种可调太赫兹手性鉴别器件可以有两种工作模式：第一种工作模式为第一条VO2161处于低温状态且第二条VO2162处于高温状态时，可以记为模式1；第二种工作模式为第一条VO2161处于高温状态且第二条VO2162处于低温状态时，可以记为模式2。其中，第三种可调太赫兹手性鉴别器件的结构尺寸可以为p1为90μm，p2为70μm，d为30μm，t为0.2μm，w为9μm，w2为14μm，L1为20μm，L2为65μm，m为2.5μm，s为5μm。图10为本发明一实施例的多个周期单元的第三种可调太赫兹手性鉴别器件的结构示意图。如图10所示，其周期为3×3周期单元。
图11为本发明一实施例的第三种可调太赫兹手性鉴别器件在第一种工作模式下对左、右旋圆极化波的吸收谱的示意图。由图11可知，在模式1下，当圆极化波入射到第三种可调太赫兹手性鉴别器件上时，在0.933THz和1.184THz处分别对左旋圆极化波和右旋圆极化波存在吸收峰，吸收率分别为0.89和0.91。在0.933THz处，第三种可调太赫兹手性鉴别器件对右旋圆极化波的吸收仅为0.198。在1.184THz处，第三种可调太赫兹手性鉴别器件对左旋圆极化波的吸收则仅为0.191。
图12为本发明一实施例的第三种可调太赫兹手性鉴别器件在第二种工作模式下对左、右旋圆极化波的吸收谱的示意图。由图12可知，在模式1下，当圆极化波入射到第三种可调太赫兹手性鉴别器件上时，在0.933THz和1.184THz处分别对右旋圆极化波和左旋圆极化波存在吸收峰，吸收率分别为0.89和0.91。在0.933THz处，第三种可调太赫兹手性鉴别器件对左旋圆极化波的吸收仅为0.198。在1.184THz处，第三种可调太赫兹手性鉴别器件对右旋圆极化波的吸收则仅为0.191。图11与图12中的曲线形状虽然完全一致，但本质区别在于，当器件分别工作在模式1和模式2时，在0.933THz和1.184THz处，第一种器件和第二种器件在相应频率范围内对左右旋圆极化波的吸收效果正好相反。
图13为本发明一具体实施例的第三种可调太赫兹手性鉴别器件在两种工作模式下的圆二色谱值的示意图。如图13所示，图13的实线和虚线分别为第三种可调太赫兹手性鉴别器件在模式1和模式2下的圆二色谱曲线。由于第三种可调太赫兹手性鉴别器件在模式1和模式2下对两种圆极化波的吸收效果刚好相反，因此，第三种可调太赫兹手性鉴别器件在模式1和模式2下的圆二色谱值大小相同，但符号正好相反。两种模式下的圆二色谱曲线在0.933THz和1.184THz对应的峰值幅度分别为0.755和0.787。
根据本发明实施例的另一方面，提供了一种可调圆极化选择器，包括：如上述任一项实施例所述的可调太赫兹手性鉴别器件。
为使本领域技术人员更好地了解本发明，下面将以具体实施例说明本发明的实施方式。
太赫兹鉴别器件包括：金属层；介质层，位于所述金属层的一侧；金属-VO2图形层，位于所述介质层的远离所述金属层的一侧，包含周期排列的金属-VO2图形单元；金属-VO2图形单元包含设定金属图形，对于第一类器件，设定金属-VO2图形的金属部分包含金属条和位于该金属条一侧的开口矩形环，VO2部分则是连接在开口矩形环一条长臂上。对于第二类器件，设定金属-VO2图形包含金属条和分别位于该金属条两侧的两个开口金属矩形环，在开口金属矩形环的开口位置填入VO2条，使矩形环闭合，各单元间的矩形环通过金属条连接起来。
如图2所示，金属层的材料为金，其厚度为0.2μm；介质层的材料为聚酰亚胺，其介电常数3.5，损耗角正切0.02，厚度d为30μm，介质层的长p2＝70μm，宽p1＝60μm。金属图形层的材料为金，其中的相变物质为VO2，其中金属和VO2部分厚度均为0.2μm。第一金属条的长L2为65μm，宽w2为14μm，开口矩形环部分的金属宽度w＝9μm，矩形环整体长L2＝65μm，宽L1＝20μm，开口矩形环伸出的臂长s1＝33μm。VO2部分连接在开口矩形环伸出的臂上，宽度w＝9μm，长为s2＝16μm。如图3所示，以周期排列的可调太赫兹手性鉴别器件，周期为4×4个周期单元。
如图4所示，可以表示在VO2分别处于高温和低温两种情况下，右旋圆极化波的吸收曲线以及左旋圆极化波的吸收曲线。其中，横坐标表示频率，频率范围为0.7THz～1.1THz，纵坐标表示吸收能量。在VO2处于低温状态下，当右旋圆极化波入射到可调太赫兹手性鉴别器件时，在频率为1.022THz处的峰值吸收率为0.974。当入射波为左旋圆极化波时，在0.7THz～1.1THz范围内的吸收率均低于0.11。因此，该器件在VO2为低温状态，频率为1.022THz的情况下，对左旋圆极化波与右旋圆极化波具有的吸收效果呈现完全不同的状态。在VO2处于高温状态下，当右旋圆极化波入射到可调太赫兹手性鉴别器件时，在频率为0.895THz处的峰值吸收率为0.945。当入射波为左旋圆极化波时，在0.7THz～1.1THz范围内的吸收率均低于0.1。因此，该器件在VO2为高温状态，频率为0.895THz的情况下，对左旋圆极化波与右旋圆极化波具有的吸收效果呈现完全不同的状态。由于左旋圆极化波的吸收率与右旋圆极化波的吸收率的差值为圆二色谱值，因此，可以表示其具有强的圆二色谱值。此外，利用VO2在高温和低温下的两种状态，可以使该器件工作于两种模式，提升了器件的灵活性。
参见图5，第二种可调太赫兹手性鉴别器件的结构完全由第一种可调太赫兹手性鉴别器件的结构镜像而来，结构参数也均与第一种可调太赫兹手性鉴别器件的结构参数一致。如图6所示，多个周期单元的第二种可调太赫兹手性鉴别器件的周期单元个数可以为4×4个。
再如图7所示，图7与图4中的曲线形状虽然完全一致，但本质区别是在1.022THz和0.895THz处(分别对应VO2处于低温和高温状态)，第一种器件和第二种器件在相应频率范围内对左右旋圆极化波的吸收效果正好相反。第二种器件对左旋圆极化波呈现强烈的吸收，对右旋圆极化波吸收很小。而第一种器件对右旋圆极化波呈现强烈吸收，对左旋圆极化波吸收很小。
由图8可知，由于在VO2处于低温和高温两种状态时，第一种可调太赫兹手性鉴别器件和第二种可调太赫兹手性鉴别器件对两种极化方式圆极化波的吸收效果刚好相反，因此，第一种可调太赫兹手性鉴别器件的圆二色谱值与第二种可调太赫兹手性鉴别器件的圆二色谱值大小相同，但符号正好相反。当VO2处于低温状态时，两种结构在1.022THz处圆二色谱曲线对应的峰值幅度为0.938，这说明在该频率点处传感器对左、右旋圆极化波的吸收效果的差别大，从而具有强的圆二色谱值。当VO2处于高温状态时，两种结构在0.895THz处圆二色谱曲线对应的峰值幅度为0.885，同样说明在该频率点处传感器对左、右旋圆极化波的吸收效果的差别大，从而具有强的圆二色谱值。
参见图9，该周期单元包括中间的金属条和两边的开口金属环及其延伸出去的金属条，两个VO2条(即第一条VO2和第二条VO2)分别填满了两个开口金属环的开口处，使之形成金属-VO2闭环。开口金属环两边延伸出去的金属条则是为了使多个单元间的金属-VO2闭环连接起来。第三种类型可调太赫兹手性鉴别器件有两种工作模式：当第一条VO2处于低温状态且第二条VO2处于高温状态时，此为第一种工作模式，记为模式1；当第一条VO2处于高温状态且第二条VO2处于低温状态时，此为第二种工作模式，记为模式2。第三种可调太赫兹手性鉴别器件的结构尺寸如下：p1＝90μm，p2＝70μm，d＝30μm，t＝0.2μm，w＝9μm，w2＝14μm，L1＝20μm，L2＝65μm，m＝2.5μm，s＝5μm。
如图10所示，第三种可调太赫兹手性鉴别器件的周期单元可以为3×3个周期单元。在实际加工过程中，该器件包含的周期单元个数并不限于此。可调太赫兹手性鉴别器件的实际周期个数为m×n，一般m≥10，n≥10。
由图11可知，在模式1下，当圆极化波入射到第三种可调太赫兹圆二色器上时，在0.933THz和1.184THz处分别对左旋圆极化波和右旋圆极化波存在吸收峰，吸收率分别为0.89和0.91。在0.933THz处，第三种可调太赫兹手性鉴别器件对右旋圆极化波的吸收仅为0.198。在1.184THz处，第三种可调太赫兹手性鉴别器件对左旋圆极化波的吸收则仅为0.191。
由图12可知，在模式1下，当圆极化波入射到第三种可调太赫兹圆二色器上时，在0.933THz和1.184THz处分别对右旋圆极化波和左旋圆极化波存在吸收峰，吸收率分别为0.89和0.91。在0.933THz处，第三种可调太赫兹手性鉴别器件对左旋圆极化波的吸收仅为0.198。在1.184THz处，第三种可调太赫兹手性鉴别器件对右旋圆极化波的吸收则仅为0.191。图11与图12中的曲线形状虽然完全一致，但本质区别在于，当器件分别工作在模式1和模式2时，在0.933THz和1.184THz处，第一种器件和第二种器件在相应频率范围内对左右旋圆极化波的吸收效果正好相反。
如图13所示，图13的实线和虚线分别为本发明实施例提供的第三种可调太赫兹手性鉴别器件在模式1和模式2下的圆二色谱曲线。由于第三种可调太赫兹手性鉴别器件在模式1和模式2下对两种极化方式圆极化波的吸收效果刚好相反，因此，第三种可调太赫兹手性鉴别器件在模式1和模式2下的圆二色谱值大小相同，但符号正好相反。两种模式下的圆二色谱曲线在0.933THz和1.184THz对应的峰值幅度分别为0.755和0.787。
综上所述，本发明实施例的可调太赫兹手性鉴别器件及可调圆极化选择器，通过利用相变物质能够灵活地调节具有第一设定金属图形的器件的工作频率和具有第二种设定金属图形的器件的工作模式，从而达到对不同圆极化波具有不同的吸收强度，并在太赫兹波段实现对不同手性圆极化波进行鉴别或对圆极化波进行选择的目的。
本发明中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种可调太赫兹手性鉴别器件，其特征在于，包括：金属图形层、介质层以及金属层；所述介质层位于所述金属层的一侧，所述金属图形层位于所述介质层的远离所述金属层的一侧；
所述金属图形层包括周期排列的金属图形单元；所述金属图形单元包含第一设定金属图形；设定金属图形包括多个金属条；第二所述金属条位于第一所述金属条的紧邻的第一侧，且与第一所述金属条平行；第三所述金属条位于第二所述金属条的远离所述第一所述金属条的一侧，且与第二所述金属条平行设置；第三所述金属条与第二所述金属条的相互靠近的一端通过第四所述金属条连接，第四所述金属条远离第二所述金属条和第三所述金属条的侧边与第一所述金属条的第一端端部边缘齐平；第三所述金属条的另一端向第一所述金属条垂直弯折并沿直线延伸形成第五所述金属条，且第五所述金属条远离第三所述金属条的一端侧边与第二所述金属条紧邻第一所述金属条的侧边齐平，且第五所述金属条的远离第三所述金属条的侧边与第一所述金属条的第二端端部边缘齐平；
所述第三所述金属条位于第四所述金属条和第五所述金属条之间的部分的长度大于或等于所述第二所述金属条位于第四所述金属条和第五所述金属条之间的部分的长度；第三所述金属条的长度大于第四所述金属条的长度和第五所述金属条的长度；
第二所述金属条远离第四所述金属条连接的一端的端部连接有条形相变物质，且所述条形相变物质不超过第五所述金属条的远离第二所述金属条的侧边；
所述条形相变物质连接第五所述金属条的靠近第二所述金属条的侧边，且所述条形相变物质、第二所述金属条、第三所述金属条、第四所述金属条、及第五所述金属条闭合形成矩形框；所述可调太赫兹手性鉴别器件还包括第一条形金属凸出部和第二条形金属凸出部，且所述第一条形金属凸出部和所述第二条形金属凸出部分别从第四所述金属条的远离第二所述金属条的一侧和第五所述金属条的远离第二所述金属条的一侧开始分别沿第二所述金属条两端向外的方向延伸。
2.如权利要求1所述的可调太赫兹手性鉴别器件，其特征在于，所述条形相变物质与第五所述金属条的靠近第二所述金属条的侧边之间有设定距离的间隙。
3.如权利要求1所述的可调太赫兹手性鉴别器件，其特征在于，所述金属图形单元还包含第二设定金属图形；所述第二设定金属图形呈与第二所述金属条、第三所述金属条、第四所述金属条及第五所述金属条构成的第一形状关于第一所述金属条对称的第二形状，且所述第一形状与所述第二形状对称设置。
4.如权利要求3所述的可调太赫兹手性鉴别器件，其特征在于，所述金属图形层包含多个所述金属图形单元；多个所述金属图形单元以相同的姿势排成一列，且各所述金属图形单元的第二所述金属条设置于同一直线上，相邻两个所述金属图形单元的第二所述金属条首尾相接，相邻两个所述金属图形单元中一个金属图形单元的第一条形金属凸出部和另一个金属图形单元的第二条形金属凸出部相接。
5.如权利要求2所述的可调太赫兹手性鉴别器件，其特征在于，金属图形层内包括多个相同的金属图形单元，且各图形单元以相同的姿势排列形成阵列图形。
6.如权利要求1至5任一项所述的可调太赫兹手性鉴别器件，其特征在于，所述相变物质包括二氧化钒、石墨烯或相变合金材料Ge2Sb2Te5。
7.如权利要求2所述的可调太赫兹手性鉴别器件，其特征在于，所述设定距离的距离范围为5µm ~900 µm；所述条形相变物质与第五所述金属条之间的间隙靠近第一所述金属条的第一端或第二端。
8.如权利要求1所述的可调太赫兹手性鉴别器件，其特征在于，金属条的长和宽的长度范围分别为5µm ~900 µm和10µm ~500µm；条形相变物质的长度范围为5µm ~900µm；
金属图形层的厚度范围为0.05µm ~5µm；介质层的厚度范围为3µm ~1000µm；所述金属层的厚度不小于0.05µm；其中，所述金属图形层的厚度小于所述介质层的厚度且所述金属图形层的厚度小于所述金属层的厚度。
9.一种可调圆极化选择器，其特征在于，包括：如权利要求1至8任一项所述的可调太赫兹手性鉴别器件。
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