CN112684648B - 一种基于二氧化钒和法布里-珀罗腔的宽带可调吸收器 - Google Patents
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Abstract
一种基于二氧化钒和法布里‑珀罗腔的宽带可调吸收器。该吸收器由四层结构组成，从底层到顶层依次为：第一层为金属层，第二层为介质层，第三层为二氧化钒谐振结构，第四层为与第二层相同的介质层。第四层介质层与第三层二氧化钒谐振结构形成的法布里‑珀罗腔可有效提升吸收器与自由空间之间的阻抗匹配，并激励出一个新的吸收峰，从而可实现所述吸收器吸收频带的有效拓宽。所述吸收器包含四种谐振模式：偶极子谐振、相邻二氧化钒谐振结构单元之间的耦合、金属层‑介质层‑二氧化钒谐振结构形成的法布里‑珀罗腔谐振，以及顶层介质层和二氧化钒谐振结构形成的法布里‑珀罗腔谐振。通过光控、电控或温控可动态调谐二氧化钒的电导率，从而实现吸收器吸收率的动态调控。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹超材料设计技术领域，具体涉及一种基于二氧化钒和法布里-珀罗腔的宽带可调吸收器。
背景技术
太赫兹(THz)波因其具有许多独特的性能，如宽带性、低能性、指纹谱性、非极性物质极强穿透力等，在生物医学、无线通信、安检无损检测等领域具有巨大的应用前景。然而，THz波与传统材料很难发生电磁响应，致使THz器件缺乏，从而限制了THz波的应用。由亚波长结构单元按照一定的排列方式组成的人工复合超材料的出现为THz器件的发展和应用提供了可行性。近年来，许多基于超材料的THz功能器件被提出，如THz滤波器、THz偏振转换器和THz吸收器等。其中，THz吸收器因在隐身、传感、热辐射等方面有着重要的应用而得到研究人员的广泛关注。目前，THz吸收器的研究仍面临许多挑战，如带宽窄、难以实现动态调控等。因此，动态可调THz宽带吸收器成为了一个新的研究热点。
THz吸收器动态调控的主要技术途径是在吸收器结构中加入光学性质可调的材料(如石墨烯、液晶、二氧化钒(VO2)等)。然而，在吸收器结构中加入石墨烯会极大地增加加工成本，而加入液晶材料又会限制吸收器的应用范围。相比较而言，在吸收器结构中加入VO2，可使其具有快速响应、大调制深度和多种调制方法等优点。目前，基于VO2的THz吸收器主要的设计方法为将不同大小的多个谐振器集成到一个单元结构上或者堆叠成具有不同几何尺寸的多层结构，但这些结构存在着难以加工和调控方式固定等缺点。此外，虽然人们还提出了许多基于VO2的THz吸收器，但这些吸收器的吸收带宽仍然较窄，不利于实际应用。因此，有必要在THz波段进一步发展新型宽带可调吸收器，以推动THz技术的发展。
发明内容
本发明设计了一种基于VO2和法布里-珀罗腔的宽带可调吸收器，具有宽带吸收、动态可调、大角度吸收和偏振不敏感的特性。
本发明采用的技术方案是，设计了一种基于VO2和法布里-珀罗腔的宽带可调吸收器。该吸收器由四层结构组成，从底层到顶层依次为：第一层为金属层，第二层为介质层，第三层为VO2谐振结构，第四层为与第二层相同的介质层。第四层介质层与第三层VO2谐振结构形成的法布里-珀罗腔可有效提升吸收器与自由空间之间的阻抗匹配，并激励出一个新的吸收峰，从而可实现所述吸收器吸收频带的有效拓宽。所述吸收器包含四种谐振模式：偶极子谐振、相邻VO2谐振结构单元之间的耦合、金属层-介质层-VO2谐振结构形成的法布里-珀罗腔谐振，以及顶层介质层和VO2谐振结构形成的法布里-珀罗腔谐振。
其中，所述VO2谐振结构单元可以但不限于是正方形或圆形。
其中，所述介质层的材料可以但不限于是二氧化硅(SiO2)或环烯烃类共聚物(Topas)。
其中，所述VO2谐振结构的外部激励可为光、温度以及电压。
进一步地，VO2的介电常数在THz波段根据Drude模型描述为：
式中，ε∞＝12和γ＝5.75×1013rad/s分别为高频介电常数和振荡频率。等离子频率ωp与电导率σ的关系为：
式中，σ0＝3×105S/m和ωp(σ0)＝1.4×1015rad/s。
进一步地，法布里-珀罗腔由两个介质分界面构成，当介质的折射率、介质面之间的距离和入射波长满足一定的条件时，入射波会在两个分界面之间多次反射叠加，进行相消干涉，进而实现完美吸收。
本发明所述的宽带可调吸收器首先采用VO2谐振结构作为谐振器，通过外部激励(光、温度以及电压)改变VO2的电导率来实现吸收器的动态调控。然后，通过在VO2谐振结构上方引入介质层形成法布里-珀罗腔，以提升吸收器与自由空间之间的阻抗匹配，激发一个新的吸收峰，进而实现吸收频带的有效拓宽。
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明的宽带可调吸收器的吸收频带宽、结构简单和动态调控方式多样。
附图说明
为了更清楚地对本发明实施例作进一步详细说明，下面将对实施例中使用的附图作简单地介绍。有必要在此指出的是所述附图仅仅是本发明的一些实施例，而并不意味着是对本发明保护范围的任何限定。
图1是根据本发明实施例1的吸收器结构示意图，该吸收器是由金属层、介质层、形状为正方形的VO2谐振结构和介质层组成。
图2是根据本发明实施例1吸收器在VO2处于金属态下，顶层介质层对吸收器吸收率的影响。
图3是根据本发明的实施例1吸收器在不同VO2电导率下的吸收率。
图4是根据本发明的实施例1吸收器在四个谐振吸收峰处的电场分布图。
图5是根据本发明的实施例2吸收器示意图，该吸收器是由金属层、介质层、形状为圆形的VO2谐振结构和介质层组成。
图6是根据本发明的实施例2吸收器在VO2处于金属态下，顶层介质层对吸收器吸收率的影响。
图7是根据本发明的实施例2吸收器在不同VO2电导率下的吸收率。
具体实施方式
下面结合本实施例中的附图，对本发明实施例中设计方案进行清楚、完整地描述；所描述的实施例仅仅是本发明中的一部分实施例，而不是意味着是对本发明保护范围的任何限定。
实施例1
一种基于VO2和法布里-珀罗腔的宽带可调吸收器单元结构由四层组成，从底层到顶层依次为：材料为金的金属层1，材料为Topas的介质层2，VO2谐振结构3，材料为Topas的介质层4，如附图1所示。作为实施例，单元结构的周期p为60微米，形状为正方形的VO2谐振结构边长w为50微米，金属层1的厚度h1、介质层2的厚度h2、VO2谐振结构3的厚度h3以及介质层4的厚度h4分别为0.4微米、17.4微米、0.06微米和17.2微米。
图2为本实施例中吸收器在有顶层介质层和无顶层介质层的吸收谱。从图2可知，顶层介质层和VO2谐振结构形成的法布里-珀罗腔不仅通过提升吸收器与自由空间的阻抗匹配增强了吸收，还额外增加了一个吸收峰，进而实现吸收频带的有效拓宽。吸收器在0.93THz到4.36THz频率范围内，吸收率大于90％，相对带宽为129.7％。
图3表明在外部激励条件下，吸收器通过控制VO2电导率实现了吸收率的动态调控。当VO2的电导率从200西门子/米变化到200000西门子/米时，吸收率可从8％调控到100％。
图4表明吸收器在四个谐振点处具有不同的谐振模式。其中，在1.12THz处，电场主要集中在VO2谐振结构的两侧，为电偶极子谐振；在2.76THz处，电场主要分布于VO2谐振结构的两侧与相邻单元之间，可见该谐振模式由单元结构之间的耦合主导；在3.45THz处，电场主要分布于金属层与VO2谐振结构间的介质层中，这是由于在该介质层激发了法布里-珀罗腔谐振，进而实现了谐振吸收；而在4.02THz处，电场分布于顶层介质层中，可见该介质层和VO2谐振结构形成的法布里-珀罗谐振腔也实现了谐振吸收。因此，吸收器的宽频带吸收是由这四个谐振模式的耦合实现的。
实施例2
一种基于VO2和法布里-珀罗腔的宽带可调吸收器单元结构由四层组成，从底层到顶层依次为：材料为金的金属层1，材料为SiO2的介质层2，形状为圆形的VO2谐振结构3和材料为SiO2的介质层4，如附图5所示。作为实施例，单元结构的周期p为60微米，形状为圆形的VO2谐振结构3的半径r为29微米，金属层1的厚度h1、介质层2的厚度h2、形状为圆形的VO2谐振结构3的厚度h3以及介质层4的厚度h4分别为0.4微米、20微米、0.06微米和21微米。
图6为对本实施例中吸收器在有顶层介质层和无顶层介质层时的吸收谱。根据图6可知，顶层介质层和VO2谐振结构形成的法布里-珀罗腔不仅通过提升吸收器与自由空间的阻抗匹配增强了吸收，还额外增加了一个吸收峰进而拓宽了吸收频带。吸收器在0.66THz到2.89THz频率范围内，吸收率大于90％，相对带宽为125.6％。
图7表明在外部激励条件下，吸收器通过控制VO2电导率实现了吸收率的动态调控。当VO2的电导率从200西门子/米变化到200000西门子/米时，吸收器的吸收率从9％调控到100％。
综上所述，本发明提出了一种基于VO2和法布里-珀罗腔的宽带可调吸收器。通过在VO2谐振结构上方引入介质层形成法布里-珀罗腔，以提升吸收器与自由空间之间的阻抗匹配，激发一个新的吸收峰，进而实现吸收频带的有效拓宽。吸收器的宽带吸收来源于四个谐振模式的耦合，即：偶极子谐振、相邻二氧化钒谐振结构单元之间的耦合、金属层-介质层-VO2谐振结构形成的法布里-珀罗腔谐振以及顶层介质层和VO2谐振结构形成的法布里-珀罗腔谐振。所述吸收器具有结构简单、动态调谐以及吸收性能好等优点，且介质材料和VO2谐振结构均可根据具体的应用需求进行设置，具有灵活性。
以上所述是本发明应用的技术原理和具体实例，依据本发明的构想所做的同等或等价设计、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于二氧化钒和法布里-珀罗腔的宽带可调吸收器，其特征在于：所述的宽带可调吸收器包含四层结构，从底层往顶层依次为：第一层为金属层，第二层为介质层，第三层为二氧化钒谐振结构，该二氧化钒谐振结构为周期性排列的正方形或圆形结构，第四层为与第二层相同材料的介质层；当太赫兹波入射时，所述的宽带可调吸收器可激励四种谐振模式，包括偶极子谐振、相邻二氧化钒谐振结构单元之间的耦合、金属层-介质层-二氧化钒谐振结构形成的法布里-珀罗腔谐振，以及顶层介质层和二氧化钒谐振结构形成的法布里-珀罗腔谐振，其相互耦合实现了宽带吸收。
2.根据权利要求1所述的一种基于二氧化钒和法布里-珀罗腔的宽带可调吸收器，其特征在于：金属层-介质层-二氧化钒谐振结构可形成法布里-珀罗腔，进而激发法布里-珀罗腔谐振。
3.根据权利要求1所述的一种基于二氧化钒和法布里-珀罗腔的宽带可调吸收器，其特征在于：介质层的材料可为二氧化硅或环烯烃类共聚物。
4.根据权利要求1所述的一种基于二氧化钒和法布里-珀罗腔的宽带可调吸收器，其特征在于：通过光控、电控或温控可动态调节二氧化钒的电导率，从而改变谐振吸收峰的个数和吸收率，实现吸收器的动态调控。
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