CN112490682A - 一种光学超材料单元及选择设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学超材料单元及选择设计方法，其中，所述光学超材料单元包括：由上至下依次排布的表面共振层、介质板及接地板，其中，所述表面共振层包括：呈环状的外缘贴片，所述外缘贴片的上边框内侧贴合有第一贴片，下边框内侧贴合有第二贴片。本发明所提供的光学超材料单元可用于多个频带的电磁波吸收，且该多个频带的跨度相对现有技术较大，弥补了现有技术缺乏频带跨度较大的光学超材料单元的问题。

Description

一种光学超材料单元及选择设计方法

技术领域

本发明涉及超材料技术领域，尤其涉及的是一种光学超材料单元及选择设计方法。

背景技术

超材料是一个跨学科的课题，囊括电子工程、凝聚态物理、微波、光电子学、经典光学、材料科学、半导体科学以及纳米科技等等。具体地，电磁超材料(英文:Metamaterial，拉丁语词根"meta-"表示"超出、另类"等含义)，简称超材料，指的是一类具有特殊性质的人造材料，这些材料是自然界没有的，它们拥有一些特别的性质，比如让光、电磁波改变它们的通常性质，而这样的效果是传统材料无法实现的。

超材料的成分上没有什么特别之处，根据有效媒介理论，超材料的特性可以通过关键物理尺寸的结构有序设计来调控。所以，通过调整其物理尺寸及材料参数，能够使超材料与入射电磁波的电磁分量产生耦合，从而使特定频带的入射电磁波的绝大部分(甚至是100％)被吸收，由此获得特殊的超材料“完美吸收器”。利用超材料可以实现电磁波和光波性能的任意“剪裁”，从而可获得诸如完美透镜、隐身斗篷、电磁波完美吸收器等特殊器件。

太赫兹波指的是频率范围在0.1THz-10THz，波长范围在30um-3000um的电磁波。太赫兹波位于光波和微波波段之间，具有很多光波和微波的优点，例如其的低能特性，不会对被检测物质产生电离干破坏，所以太赫兹波段的电磁感应透明研究对医学领域有着重要的研究意义。

目前大多数的研究都处于GHz频带的单一频带的电磁感应透明研究，很少有在太赫兹波段的多频带电磁感应透明的研究。为了解决这一技术问题，授权公告号为CN211150789U的实用新型专利提供了一种基于太赫兹超材料的多频带电磁感应透明结构，如图1所示，其包括：第一介质基板1、第二介质基板2、第一金属条3、第二金属条4、第一金属对称开口谐振圆环5和第二金属对称开口谐振圆环6，所述第二介质基板2位于所述第一介质基板1下，所述第一金属条3、所述第二金属条4、所述第一金属对称开口谐振圆环5和所述第二金属对称开口谐振圆环6均位于所述第一介质基板1远离所述第二介质基板2的一侧，所述第一金属条3和所述第二金属条4平行设置，所述第一金属对称开口谐振圆环5位于所述第一金属条3和所述第二金属条4之间，所述第一金属对称开口谐振圆环5具有两个第一缺口51，且两个所述第一缺口51分别位于靠近所述第一金属条3和所述第二金属条4的一侧，所述第二金属对称开口谐振圆环6位于所述第二金属条4远离所述第一金属对称开口谐振圆环5的一侧，所述第二金属对称开口谐振圆环6具有两个第二缺口61，且两个所述第二缺口61与两个所述第一缺口51位于同一直线上，所述第一金属条3、所述第二金属条4、所述第一金属对称开口谐振圆环5和所述第二金属对称开口谐振圆环6的几何中心连线与第一介质基板1表面的水平中线相重叠。

上述多频带电磁感应透明结构的两种实施例的透射曲线图分别如图2及图3所示，由图2及图3不难看出，其两个实施例的三个透射窗口皆集中在1.08THz至1.32THz之间，跨越频带较窄；即现有技术缺乏频带跨度较大的光学超材料单元。

可见，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种光学超材料单元及选择设计方法，旨在解决现有技术缺乏频带跨度较大的光学超材料单元。

本发明的技术方案如下：

一种光学超材料单元，包括：由上至下依次排布的表面共振层、介质板及接地板，其中所述表面共振层包括：呈环状的外缘贴片，所述外缘贴片的上边框内侧贴合有第一贴片，下边框内侧贴合有第二贴片。

上述方案的效果在于：本发明所提供的光学超材料单元可用于多个频带的电磁波吸收，且该多个频带的跨度相对现有技术较大(具体地数值可由本领域技术人员进行尺寸调整来选择)，弥补了现有技术缺乏频带跨度较大的光学超材料单元的问题。

在进一步地优选方案中，所述介质板及接地板的长度及宽度均不大于77μm，所述介质板的厚度不大于3.8μm，所述外缘贴片、第一贴片、第二贴片及接地板的厚度均不大于0.5μm。

上述方案的效果在于：根据CN211150789U的公开文件记载可知：其公开的基于太赫兹超材料的多频带电磁感应透明结构中，所述第一介质基板1和所述第二介质基板2的长度均为150um-176μm，宽度均为120μm所述第一介质基板1的高度为3μm-8μm，所述第二介质基板2高度为20μm-80μm；即现有的多频带电磁感应透明结构的长度不小于为150um(是本发明所提供光学超材料单元的最大长度的1.95倍)，宽度则固定为120μm(是本发明所提供光学超材料单元的最大宽度的1.56倍)，厚度则不小于23μm(即使不计算表面共振层的厚度，仅以第一介质基板的高度最小值+第二介质基板的高度最小值也不小于23μm，是本发明所提供光学超材料单元的最大厚度的4.79倍)。从上述数值可见，本发明所提供的光学超材料单元不仅频带跨度大于现有的多频带电磁感应透明结构，而且体积远远小于现有的多频带电磁感应透明结构。

在进一步地优选方案中，所述光学超材料单元由所述表面共振层、介质板及接地板组成，所述表面共振层由外缘贴片、第一贴片及第二贴片组成；所述介质板及接地板皆呈正方形，边长在75μm至77μm之间；

所述外缘贴片的外边框长度在65μm至67μm之间，内边框长度在49μm至51μm之间；所述第一贴片和第二贴片的长度相同，且均在19μm至21μm之间；所述第一贴片的下边框与第二贴片的上边框之间的距离在6μm至8μm之间；所述第一贴片及第二贴片与外缘贴片的左右内边框的距离相同，且皆在9μm至11μm之间；所述表面共振层及接地板的厚度相同，且均在0.3μm至0.5μm之间；中间介质板层的厚度在3.6μm至3.8μm之间，介电常数均在3.3-3.7之间，损耗角正切均为0.024-0.030。

上述方案的效果在于：上述方案为所述光学超材料单元的优选方案之一，意为证明本发明技术效果。在上述方案中，所述光学超材料单元由且仅由外缘贴片、第一贴片、第二贴片、介质板及接地板组成，其可以在中心频率分别为0.7THz、1.75THz、2.85THz及3.55THz四个频带工作，中心频率的跨度可达2.85THz。

在进一步地优选方案中，所述介质板及接地板皆呈正方形，边长为76μm；所述外缘贴片的外边框长度为66μm，内边框长度为50μm；所述第一贴片和第二贴片的长度相同，且均为20μm；所述第一贴片的下边框与第二贴片的上边框之间的距离为7μm；所述第一贴片及第二贴片与外缘贴片的左右内边框的距离相同，且皆为10μm；所述表面共振层及接地板的厚度相同，且均为0.4μm；中间介质板层的厚度为3.7μm。

上述方案的效果在于：相对于上一级方案而言，上述方案所提供的具体参数所实现的效果较佳，在中心频率为0.7THz及1.75THz的频带工作时反射幅度可达-6dB，在中心频率为2.85THz的频带工作时反射幅度可达-11.7dB，在中心频率为3.55THz的频带工作时反射幅度可达-7.9dB。

在进一步地优选方案中，所述光学超材料单元还包括：衔接贴片，所述衔接贴片的上下两端分别抵接所述第一贴片及第二贴片。

上述方案的效果在于：衔接贴片的设置一则可以改变第一方案(即表面共振层由外缘贴片、第一贴片及第二贴片组成的方案)的工作频带，二则通过移动衔接贴片的位置可在一定范围内调整工作频带。

在进一步地优选方案中，所述光学超材料单元由所述表面共振层、介质板及接地板组成，所述表面共振层由外缘贴片、第一贴片、第二贴片及衔接贴片组成；所述衔接贴片的右边与第一贴片的右边距离在0μm至8μm之间进行选择。

上述方案的效果在于：所述光学超材料单元由且仅由外缘贴片、第一贴片、第二贴片、衔接贴片、介质板及接地板组成，当衔接贴片的右边与第一贴片的右边距离为0(即二者右侧平齐)时，其可以在中心频率分别为0.9THz、2.07THz、2.98THz及3.58THz四个频带工作，中心频率的跨度可达2.68THz；当衔接贴片的右边与第一贴片的右边距离为8μm时，其可以在中心频率分别为1THz、2.15THz、3.15THz及3.7THz四个频带工作，中心频率的跨度可达2.7THz。在两者之间，亦可选择其他间距，此处不再赘述。

在进一步地优选方案中，所述光学超材料单元还包括：第三矩形贴片，所述第三矩形贴片与第一贴片之间的间距和第三矩形贴片与第二贴片之间的距离相等。

上述方案的效果在于：通过在第一贴片与第二贴片之间插入第三矩形贴片，使得光学超材料单元在x极化及y极化两个极化的电磁波照射下均能实现多频带工作。

在进一步地优选方案中，所述光学超材料单元由所述表面共振层、介质板及接地板组成，所述表面共振层由外缘贴片、第一贴片、第二贴片及第三矩形贴片组成；

所述第一贴片、第二贴片及第三矩形贴片的长度皆为20μm；所述三矩形贴片与第一贴片之间的间距和第三矩形贴片与第二贴片之间的距离皆为7μm；所述第一贴片、第二贴片及第三矩形贴片与外缘贴片的内边框左右两侧之间的距离皆为12μm。

上述方案的效果在于：在x极化下，本方案中的光学超材料单元的五个频带的中心频率分别为：0.85THz、2.52THz、3.75THz、4.2THz及4.7THz，且在中心频率为0.85THz的频带下反射幅度为-24dB，在中心频率为2.52THz的频带下反射幅度为-9dB，在中心频率为3.75THz的频带下反射幅度为-7.5dB，在中心频率为4.2THz的频带下反射幅度为-21.5dB，在中心频率为4.7THz的频带下反射幅度为-10.5dB，频率跨度可达3.85THz。在y极化下，本方案中的光学超材料单元的六个频带的中心频率分别为：0.75THz、2.15THz、3.3THz、3.8THz、4.15THz及4.75THz，且在中心频率为0.75THz的频带下反射幅度为-13.5dB，在中心频率为2.15THz的频带下反射幅度为-13dB，在中心频率为3.3THz的频带下反射幅度为-4.8dB，在中心频率为4.15THz的频带下反射幅度为-14.6dB，在中心频率为4.15THz的频带下反射幅度为-3.7dB，在中心频率为4.75THz的频带下反射幅度为-6dB，频率跨度可达4THz。

在进一步地优选方案中，所述光学超材料单元至少可在以下三种结构中进行选择：

所述光学超材料单元包括：表面共振层、介质板及接地板，所述表面共振层由外缘贴片、第一贴片及第二贴片组成；

所述光学超材料单元包括：表面共振层、介质板及接地板，所述表面共振层包括：呈环状的外缘贴片、第一贴片、第二贴片及衔接贴片，所述衔接贴片的上下两端分别抵接第一贴片及第二贴片；

所述光学超材料单元包括：表面共振层、介质板及接地板，所述表面共振层包括：呈环状的外缘贴片、第一贴片、第二贴片及第三矩形贴片，所述第三矩形贴片与第一贴片之间的间距和第三矩形贴片与第二贴片之间的距离相等。

上述方案的效果在于：本发明提供的是一种适用于多种不同情况的光学超材料单元结构，即本领域技术人员可在本发明所提供基本结构的基础上进行适应性选择及参数调整以在不付出创造性劳动的情况下得到合适的光学超材料单元结构。比如，在需要光学超材料单元结构在多极化皆可工作的情况下，本领域技术人员可选择具有第三矩形贴片的结构，还可在此基础上进行尺寸的调整；不需要多极化功能的情况下，本领域技术人员可根据工作频带选择基本结构或者具有衔接贴片的结构，还可在此基础上进行尺寸的调整，此处不过多赘述。

一种基于如上所述光学超材料单元实现的选择设计方法，其包括：

判断待设计光学超材料单元是否需要在不同极化下进行电磁波吸收，若是则选择具有第三矩形贴片的光学超材料单元结构，并在此基础上进行参数设计；

若判断结果为否，则根据光学超材料单元的工作频带判断是否需要衔接贴片，若是则选择具有衔接贴片的光学超材料单元结构，并在此基础上进行参数计算；若否则选择基本光学超材料单元结构，并在此基础上进行参数计算。

上述方案的效果在于：该设计方法可满足多种适用场景，且由于本发明提供的是同一系列的不同结构，因此在具体设计的时候只需要根据具体情况选择适用的结构，然后进行参数计算即可，设计方法简单省时。

与现有技术相比，本发明提供的光学超材料单元，包括：由上至下依次排布的表面共振层、介质板及接地板，其中，所述表面共振层包括：呈环状的外缘贴片，所述外缘贴片的上边框内侧贴合有第一贴片，下边框内侧贴合有第二贴片。本发明所提供的光学超材料单元可用于多个频带的电磁波吸收，且该多个频带的跨度相对现有技术较大，弥补了现有技术缺乏频带跨度较大的光学超材料单元的问题。

附图说明

图1是CN211150789U所公开基于太赫兹超材料的多频带电磁感应透明结构的结构示意图。

图2是CN211150789U所公开基于太赫兹超材料的多频带电磁感应透明结构一实施例的透射曲线图。

图3是CN211150789U所公开基于太赫兹超材料的多频带电磁感应透明结构又一实施例的透射曲线图。

图4是本发明优选实施例中光学超材料单元的主视图。

图5是本发明实施例一光学超材料单元的俯视图。

图6是本发明实施例一光学超材料单元的幅度响应图。

图7是本发明实施例二光学超材料单元的俯视图。

图8是本发明实施例二光学超材料单元的幅度响应图。

图9是本发明实施例三光学超材料单元的俯视图。

图10是本发明实施例三光学超材料单元在x极化下的幅度响应图。

图11是本发明实施例三光学超材料单元在y极化下的幅度响应图。

具体实施方式

本发明提供一种光学超材料单元及选择设计方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种光学超材料单元，如图4所示，所述光学超材料单元包括：由上至下依次排布的表面共振层100、介质板200(如图4、图5、图7及图9所示)及接地板300。如图5、图7及图9所示，所述表面共振层100包括：呈环状的外缘贴片110、第一贴片120及第二贴片130，所述第一贴片120上边缘贴合于所述外缘贴片110的上边框内侧，所述第二贴片130下边缘贴合于所述外缘贴片110的下边框内侧。

需要注意的是，本发明所指的环状并非是仅仅指两个同心圆所构成的环形，还可以是圆环、椭圆环、五边形环、六边形环等等(圆本质上属于多变形，因此，从设置有四边的矩形环到设置有无限多边的圆环皆可)，但经实验证明，矩形环的结构效果更好，因此，下文将以矩形环为例对本发明的技术方案进行详细的解释说明。

本发明所提供的光学超材料单元可用于多个频带的电磁波吸收，且该多个频带的跨度相对现有技术较大(具体地数值可由本领域技术人员进行尺寸调整来选择)，弥补了现有技术缺乏频带跨度较大的光学超材料单元的问题。

作为本发明地优选实施例，所述介质板200及接地板300的长度及宽度均不大于77μm，所述介质板200的厚度不大于3.8μm，所述外缘贴片110、第一贴片120、第二贴片130及接地板300的厚度均不大于0.5μm。本发明所提供的光学超材料单元不仅频带跨度大于现有的多频带电磁感应透明结构，而且体积远远小于现有的多频带电磁感应透明结构。

需要注意的是，此处列举的参数并不用于限定本发明的保护范围，仅为证明在上述尺寸下，本发明所提供光学超材料单元与现有技术的效果差别；应当理解的是，本领域技术人员根据本发明所提供的光学超材料单元结构，可自行选择或计算影响光学超材料单元性能的参数，或者可根据具体使用情况对本发明以下三个实施例进行同比例放大或缩小，对此本发明无法一一列举，亦不应当对此进行具体限定，因而本发明所列举的相关尺寸不应视为限定本发明的保护范围。

根据本发明地另一方面，所述光学超材料单元至少可在以下三种结构中进行选择：

所述光学超材料单元包括：表面共振层100、介质板200及接地板300，所述表面共振层100由外缘贴片110、第一贴片120及第二贴片130组成；所述光学超材料单元包括：表面共振层100、介质板200及接地板300，所述表面共振层100包括：外缘贴片110、第一贴片120、第二贴片130及衔接贴片140，所述衔接贴片140的上下两端分别抵接第一贴片120及第二贴片130；所述光学超材料单元包括：表面共振层100、介质板200及接地板300，所述表面共振层100包括：外缘贴片110、第一贴片120、第二贴片130及第三矩形贴片150，所述第三矩形贴片150与第一贴片120之间的间距和第三矩形贴片150与第二贴片130之间的距离相等。

需要注意的是，所述表面共振层100中的各个组成构件，既可以采用相同的材质制作，亦可使用不同的材质制作；优选各个构件所使用的材料为高导电性薄膜材料，比如各类金属，此处所说的高导电性材料(薄膜是指厚度，与导电性无关)是指电阻率小于等于小于100nΩ·m的材料(但需要注意的是，大于该数值一定范围的材料亦可使用，该范围本领域技术人员可根据实际使用场景，通过有限次实验得到具体数值，此处不再进行过多限定及赘述)。

本发明提供的是一种适用于多种不同情况的光学超材料单元结构，即本领域技术人员可在本发明所提供基本结构的基础上进行适应性选择及参数调整以在不付出创造性劳动的情况下得到合适的光学超材料单元结构。比如，在需要光学超材料单元结构在多极化皆可工作的情况下，本领域技术人员可选择具有第三矩形贴片150的结构，还可在此基础上进行尺寸的调整；不需要多极化功能的情况下，本领域技术人员可根据工作频带选择基本结构或者具有衔接贴片140的结构，还可在此基础上进行尺寸的调整，此处不过多赘述。

实施例一

如图5所示，所述光学超材料单元包括：由上至下依次排布的表面共振层100、介质板200(如图4、图5、图7及图9所示)及接地板300；所述表面共振层100由外缘贴片110、第一贴片120及第二贴片130组成。

较佳地是，所述光学超材料单元由且仅由表面共振层100、介质板200及接地板300组成，而其中的表面共振层100由外缘贴片110、第一贴片120及第二贴片130组成(优选第一贴片120与第二贴片130镜像对称设置)。本实施例所提供的光学超材料单元的表面仅使用一层金属结构，且加工简单，便于实现，仅依靠简单的金属图样即可实现多频带的电磁波吸收，在微波频带内易于制备加工。

优选地，请参考图5中标示的尺寸符号，所述介质板200及接地板300皆呈正方形，边长p在75μm至77μm之间；所述外缘贴片110的外边框长度a在65μm至67μm之间，内边框长度e在49μm至51μm之间；所述第一贴片120和第二贴片130的长度相同(以标示符号b表示)，且均在19μm至21μm之间；所述第一贴片120的下边框与第二贴片130的上边框之间的距离d在6μm至8μm之间；所述第一贴片120及第二贴片130与外缘贴片110的左右内边框的距离相同(以标示符号c表示)，且皆在9μm至11μm之间；所述表面共振层及接地板的厚度相同(以标示符号t表示)，且均在0.3μm至0.5μm之间；中间介质板200层的厚度w在3.6μm至3.8μm之间，介电常数均在3.3-3.7之间，损耗角正切均为0.024-0.030。

在具体实施时，所述所述介质板200及接地板300皆呈正方形(根据需求可调整为其他形状)，边长p为76μm；所述外缘贴片110的外边框长度a为66μm，内边框长度e为50μm；所述第一贴片120和第二贴片130的长度相同(以标示符号b表示)，均为20μm；所述第一贴片120的下边框与第二贴片130的上边框之间的距离d为7μm；所述第一贴片120及第二贴片130与外缘贴片110的左右内边框的距离相同(以标示符号c表示)，且皆为10μm；所述表面共振层及接地板的厚度相同(以标示符号t表示)，且均为0.4μm；中间介质板200层的厚度w为3.7μm。

如图6所示，所述光学超材料单元可在四个频带工作，该四个频带的中心频率分别为0.7THz、1.75THz、2.85THz及3.55THz，在中心频率为0.7THz及1.75THz的频带工作时反射幅度可达-6dB，在中心频率为2.85THz的频带工作时反射幅度可达-11.7dB，在中心频率为3.55THz的频带工作时反射幅度可达-7.9dB。

工作原理：当一个Y极化的电磁波沿Z方向垂直结构单元入射时，该结构的反射谱中将产生四个吸收峰，其中心频率分别为0.7THz、1.75THz、2.85THz及3.55THz。当中心频率为0.7THz时，电场主要集中在表面共振层100的外缘贴片110处，在H形槽臂部有少量电场，外缘贴片110上下边框的相反电荷的积累表明表面共振层100中电偶极共振的激发，因此，低频吸收峰是由于图案化金属结构的偶极共振。当中心频率为1.75THz时，电场不仅在表面共振层100的外缘贴片110处，还在H形槽臂部和中心间隙，外缘贴片110上下边框的电荷相反，因此中心频率为0.7THz时的吸收峰是由于图案化金属结构的四极共振。当中心频率为2.85THz时，电场分布在表面共振层100的外缘贴片110处和H形槽臂部，此时吸收峰是由于图案化金属结构的六极共振。同理，当中心频率为3.55THz时，吸收峰是由于图案化金属结构的更多极的共振。

实施例二

如图7所示，本实施例所提供的光学超材料单元包括：表面共振层100、介质板200及接地板300，所述表面共振层100包括：外缘贴片110、第一贴片120、第二贴片130及衔接贴片140，所述衔接贴片140的上下两端分别抵接第一贴片120及第二贴片130。

较佳地是，所述衔接贴片140的右边与第一贴片120的右边距离在0μm至8μm之间进行选择(该尺寸的限定仅限于本实施例)。通过调整衔接贴片140的位置，本实施例所提供的光学超材料单元可进行多频带中心频率的微调，具体如下文所述。

优选地，所述光学超材料单元由所述表面共振层100、介质板200及接地板300组成，所述表面共振层100由外缘贴片110、第一贴片120、第二贴片130及衔接贴片140组成(优选第一贴片120与第二贴片130镜像对称设置)。

本实施例所提供的光学超材料单元的表面仅使用一层金属结构，且加工简单，便于实现，仅依靠简单的金属图样即可实现多频带的电磁波吸收，在微波频带内易于制备加工。而且，本实施例所提供的光学超材料单元通过调整衔接贴片140的位置，实现了频带的选择性。

本实施例中的相关尺寸请参考实施例一，不同的是，本实施例还包括衔接贴片140的右边与第一贴片120的右边(亦是第二贴片130的右边)之间的距离，在图6中以尺寸符号x标示，本实施例列举了当x分别等于0、2、4、6及8时幅度响应曲线。

如图7所示，当衔接贴片140的右边与第一贴片120的右边距离为0(即二者右侧平齐)时，其可以在中心频率分别为0.9THz、2.07THz、2.98THz及3.58THz四个频带工作，中心频率的跨度可达2.68THz。在中心频率为0.9THz时，反射幅度可达-12.5dB；在中心频率为2.07THz时，反射幅度可达-20.5dB；在中心频率为2.98THz时，反射幅度可达-10.2dB；在中心频率为3.58THz时，反射幅度可达-4.5dB。

当衔接贴片140的右边与第一贴片120的右边距离为2μm时，其可以在中心频率分别为0.92THz、2.09THz、3.02THz及3.64THz四个频带工作，中心频率的跨度可达2.72THz。在中心频率为0.92THz时，反射幅度可达-11dB；在中心频率为2.09THz时，反射幅度可达-14.5dB；在中心频率为3.02THz时，反射幅度可达-10.2dB；在中心频率为3.7THz时，反射幅度可达-3.5dB。

当衔接贴片140的右边与第一贴片120的右边距离为4μm时，其可以在中心频率分别为0.99THz、2.12THz、3.1THz及3.66THz四个频带工作，中心频率的跨度可达2.72THz。在中心频率为0.99THz时，反射幅度可达-10.5dB；在中心频率为2.12THz时，反射幅度可达-11.5dB；在中心频率为3.1THz时，反射幅度可达-10.1dB；在中心频率为3.66THz时，反射幅度可达-2.5dB。

当衔接贴片140的右边与第一贴片120的右边距离为6μm时，其可以在中心频率分别为1THz、2.14THz、3.14THz及3.66THz四个频带工作，中心频率的跨度可达2.66THz。在中心频率为1THz时，反射幅度可达-10.5dB；在中心频率为2.14THz时，反射幅度可达-9.8dB；在中心频率为3.14THz时，反射幅度可达-10dB；在中心频率为3.66THz时，反射幅度可达-2.5dB。

当衔接贴片140的右边与第一贴片120的右边距离为8μm时，其可以在中心频率分别为1THz、2.15THz、3.15THz及3.7THz四个频带工作，中心频率的跨度可达2.7THz。在中心频率为1THz时，反射幅度可达-10.4dB；在中心频率为2.15THz时，反射幅度可达-9dB；在中心频率为3.15THz时，反射幅度可达-9.8dB；在中心频率为3.7THz时，反射幅度可达-2.5dB。

工作原理：通过简单地在第一贴片120和第二贴片130之间增加一个衔接贴片140来实现频率的调谐，通过移动衔接贴片140的位置可以改变该单元结构的有效阻抗。当单元的阻抗发生变化时，单元与自由空间阻抗匹配的频率会转移到不同的频率，从而决定了新的吸收峰的频率。四个吸收带的峰值频率水平的偏移并不随衔接贴片140位置的变化而均匀，这种不均匀性是由于表面共振层100的电场分布导致的。衔接贴片140的移动影响了H形槽中心间隙的电荷分布，因为它提供了一些重新组合正负电荷的路径，从而影响了H形槽中电荷的积累。这种电荷变化不能改变表面共振层100的激发模式，但能够改变H形槽的有效长度。在第三个吸收峰处，因为在H形槽中心间隙有巨大的电荷累积，所以衔接贴片140的移动对吸收特性的影响最为明显。同理，在第一个吸收峰处，因为在H形槽中心间隙只有少量的电荷累积，所以衔接贴片140的移动对吸收特性几乎没有影响。

实施例三

如图9所示，本实施例所提供的光学超材料单元包括：表面共振层100、介质板200及接地板300，所述表面共振层100包括：外缘贴片110、第一贴片120、第二贴片130及第三矩形贴片150。

优选地，所述光学超材料单元由所述表面共振层100、介质板200及接地板300组成，所述表面共振层100由外缘贴片110、第一贴片120、第二贴片130及第三矩形贴片150组成(优选第一贴片120与第二贴片130镜像对称设置)。

本实施例所提供的光学超材料单元的表面仅使用一层金属结构，且加工简单，便于实现，仅依靠简单的金属图样即可实现多频带的电磁波吸收，在微波频带内易于制备加工。而且，对于本实施例所提供的光学超材料单元在x极化和y极化下皆可实现多频带电磁波的吸收。

在具体实施时，请参考图5中标示的尺寸符号，所述外缘贴片110的外边框长度a为66μm，内边框长度f为47μm；所述第一贴片120、第二贴片130及第三矩形贴片150的长度皆为20μm；所述三矩形贴片与第一贴片120之间的间距和第三矩形贴片150与第二贴片130之间的距离皆为7μm；所述第一贴片120、第二贴片130及第三矩形贴片150与外缘贴片110的内边框左右两侧之间的距离皆为12μm(其他参数请参考实施例一)。

如图10所示，在x极化下，本方案中的光学超材料单元的五个频带的中心频率分别为：0.85THz、2.52THz、3.75THz、4.2THz及4.7THz，且在中心频率为0.85THz的频带下反射幅度为-24dB，在中心频率为2.52THz的频带下反射幅度为-9dB，在中心频率为3.75THz的频带下反射幅度为-7.5dB，在中心频率为4.2THz的频带下反射幅度为-21.5dB，在中心频率为4.7THz的频带下反射幅度为-10.5dB，频率跨度可达3.85THz。

如图11所示，在y极化下，本方案中的光学超材料单元的六个频带的中心频率分别为：0.75THz、2.15THz、3.3THz、3.8THz、4.15THz及4.75THz，且在中心频率为0.75THz的频带下反射幅度为-13.5dB，在中心频率为2.15THz的频带下反射幅度为-13dB，在中心频率为3.3THz的频带下反射幅度为-4.8dB，在中心频率为4.15THz的频带下反射幅度为-14.6dB，在中心频率为4.15THz的频带下反射幅度为-3.7dB，在中心频率为4.75THz的频带下反射幅度为-6dB，频率跨度可达4THz。

工作原理：单元结构的仿真性能取决于入射电磁波与表面共振层100的作用，对于具有四重旋转对称性的图案，入射电磁波的偏振变化几乎不会影响单元的性能，因为所有的正交偏振光(x-偏振光和y-偏振光)都入射相同的图案金属顶层。本实施例在H型槽中添加了第三贴片150，使得整个结构旋转对称，从而x极化和y极化情况下均能实现功能。两个正交偏振光具有相似的设计，由于尺寸不同，吸收特性尽管相同，但吸收峰的频率会向不同的频率移动。

本发明还提供了一种基于如上所述光学超材料单元实现的选择设计方法，其包括：

判断待设计光学超材料单元是否需要在不同极化下进行电磁波吸收，若是则选择具有第三矩形贴片的光学超材料单元结构，并在此基础上进行参数设计，具体如上述装置实施例所述；

若判断结果为否，则根据光学超材料单元的工作频带判断是否需要衔接贴片，若是则选择具有衔接贴片的光学超材料单元结构，并在此基础上进行参数计算；若否则选择基本光学超材料单元结构，并在此基础上进行参数计算，具体如上述装置实施例所述。

该设计方法可满足多种适用场景，且由于本发明提供的是同一系列的不同结构，因此在具体设计的时候只需要根据具体情况选择适用的结构，然后进行参数计算即可，设计方法简单省时。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种光学超材料单元，包括：由上至下依次排布的表面共振层、介质板及接地板，其特征在于，所述表面共振层包括：呈环状的外缘贴片，所述外缘贴片的上边框内侧贴合有第一贴片，下边框内侧贴合有第二贴片。

2.根据权利要求1所述的光学超材料单元，其特征在于，所述介质板及接地板的长度及宽度均不大于77μm，所述介质板的厚度不大于3.8μm，所述外缘贴片、第一贴片、第二贴片及接地板的厚度均不大于0.5μm。

3.根据权利要求1所述的光学超材料单元，其特征在于，所述光学超材料单元由所述表面共振层、介质板及接地板组成，所述表面共振层由外缘贴片、第一贴片及第二贴片组成；所述介质板及接地板皆呈正方形，边长在75μm至77μm之间；

所述外缘贴片的外边框长度在65μm至67μm之间，内边框长度在49μm至51μm之间；所述第一贴片和第二贴片的长度相同，且均在19μm至21μm之间；所述第一贴片的下边框与第二贴片的上边框之间的距离在6μm至8μm之间；所述第一贴片及第二贴片与外缘贴片的左右内边框的距离相同，且皆在9μm至11μm之间；所述表面共振层及接地板的厚度相同，且均在0.3μm至0.5μm之间；中间介质板层的厚度在3.6μm至3.8μm之间，介电常数均在3.3-3.7之间，损耗角正切均为0.024-0.030。

4.根据权利要求3所述的光学超材料单元，其特征在于，所述介质板及接地板皆呈正方形，边长为76μm；所述外缘贴片的外边框长度为66μm，内边框长度为50μm；所述第一贴片和第二贴片的长度相同，且均为20μm；所述第一贴片的下边框与第二贴片的上边框之间的距离为7μm；所述第一贴片及第二贴片与外缘贴片的左右内边框的距离相同，且皆为10μm；所述表面共振层及接地板的厚度相同，且均为0.4μm；中间介质板层的厚度为3.7μm。

5.根据权利要求1所述的光学超材料单元，其特征在于，所述光学超材料单元还包括：衔接贴片，所述衔接贴片的上下两端分别抵接所述第一贴片及第二贴片。

6.根据权利要求5所述的光学超材料单元，其特征在于，所述光学超材料单元由所述表面共振层、介质板及接地板组成，所述表面共振层由外缘贴片、第一贴片、第二贴片及衔接贴片组成；所述衔接贴片的右边与第一贴片的右边距离在0μm至8μm之间进行选择。

7.根据权利要求1所述的光学超材料单元，其特征在于，所述光学超材料单元还包括：第三矩形贴片，所述第三矩形贴片与第一贴片之间的间距和第三矩形贴片与第二贴片之间的距离相等。

8.根据权利要求7所述的光学超材料单元，其特征在于，所述光学超材料单元由所述表面共振层、介质板及接地板组成，所述表面共振层由外缘贴片、第一贴片、第二贴片及第三矩形贴片组成；

所述第一贴片、第二贴片及第三矩形贴片的长度皆为20μm；所述三矩形贴片与第一贴片之间的间距和第三矩形贴片与第二贴片之间的距离皆为7μm；所述第一贴片、第二贴片及第三矩形贴片与外缘贴片的内边框左右两侧之间的距离皆为12μm。

9.根据权利要求1所述的光学超材料单元，其特征在于，所述光学超材料单元至少可在以下三种结构中进行选择：

所述光学超材料单元包括：表面共振层、介质板及接地板，所述表面共振层由外缘贴片、第一贴片及第二贴片组成；

所述光学超材料单元包括：表面共振层、介质板及接地板，所述表面共振层包括：呈环状的外缘贴片、第一贴片、第二贴片及衔接贴片，所述衔接贴片的上下两端分别抵接第一贴片及第二贴片；

所述光学超材料单元包括：表面共振层、介质板及接地板，所述表面共振层包括：呈环状的外缘贴片、第一贴片、第二贴片及第三矩形贴片，所述第三矩形贴片与第一贴片之间的间距和第三矩形贴片与第二贴片之间的距离相等。

10.一种基于如权利要求9所述光学超材料单元实现的选择设计方法，其特征在于，包括：

判断待设计光学超材料单元是否需要在不同极化下进行电磁波吸收，若是则选择具有第三矩形贴片的光学超材料单元结构，并在此基础上进行参数设计；

若判断结果为否，则根据光学超材料单元的工作频带判断是否需要衔接贴片，若是则选择具有衔接贴片的光学超材料单元结构，并在此基础上进行参数计算；若否则选择基本光学超材料单元结构，并在此基础上进行参数计算。

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