CN112838373A - 一种可切换的宽带多功能超材料吸收器/极化转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于超材料吸收器和极化转换器领域，具体涉及一种可切换的宽带多功能超材料吸收器/极化转换器，包括从上至下依次设置的谐振图案层、第一介质层、石墨烯图案层、第二介质层、连续石墨烯层、第三介质层，底部金属板；所述谐振图案层由若干金属块和光敏硅块相间排列组成的条形谐振器周期排列而成；所述石墨烯图案层由单层碳原子石墨烯板和在单层碳原子石墨烯板上刻蚀的若干个周期排列的结构单元组成，每个结构单元都是由十字形凹槽连接的四个开口半圆环形凹槽组成。本发明可以工作在对电磁波的宽频完美吸收、宽频线极化波转换和宽频圆极化波转换三种模式，且能够自由调控。

Description

一种可切换的宽带多功能超材料吸收器/极化转换器
技术领域
本发明属于超材料吸收器和极化转换器领域，具体涉及一种可切换的宽带多功能超材料吸收器/极化转换器。
背景技术
超材料是一种具有周期结构的人工复合电磁材料，由于其具有独特的电磁响应，近年来引起了广泛的研究兴趣并取得了快速发展。超材料具有非常广泛的应用，在目前已报道有超透镜成像、石墨烯生物传感、电磁探测和隐身技术等。
2008年Landy等人基于开口谐振环-金属线结构设计了第一个超材料完美吸收器，实现单频段完美吸收效果。在此之后，许多不同结构和不同材料的吸收器被相继提出，吸收工作频段拓展到双频段、多频段以及宽频段。另一方面，一些能够改变入射线极化或圆极化的电磁波的的超材料被报道，例如：2013年Chen等人首次提出了基于短金属线阵列的反射式超材料极化转换器，实现了入射线极化波到反射线极化波极化方向的转换；冯一军等人提出了一种基于石墨烯的多功能可调谐超材料，可以实现共面极化到交叉极化以及线极化到圆极化的转换。
最近集成吸收器和极化转换器的多功能超材料引起了研究者们的兴趣。由于传统超材料吸收器或极化转换器仅具有一种单一功能，这存在一定的局限性。因此研究人员开始研究能够集成吸收器和极化转换器的多功能超材料，通过在超材料结构中嵌入一些可调媒质，例如二氧化钒、砷化镓、光敏材料、石墨烯和PIN二极管等，这些多功能超材料能够实现在多个功能之间的任意切换。然而目前的多功能吸收器/极化转换器仅能够实现在吸收功能和线极化转换功能之间切换，或者在线极化转换和圆极化转换功能之间切换，且其工作带宽较窄或工作效率不高。本发明设计了一种基于石墨烯和光敏硅的多功能超材料吸收器/极化转换器，该结构可实现宽频带吸收、宽带线极化转换和宽带圆极化转换三种功能之间的切换。相比之前的结构，本发明提出的多功能超材料具有所有工作模式均为宽带，工作效率高，且能够自由控制其工作模式的优点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：如何在一个超材料结构中集成具有高效的宽带完美吸收、宽带线极化转换和宽带圆极化转换三种功能，且能够自由调控。
为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种可切换的宽带多功能超材料吸收器/极化转换器，包括从上至下依次设置的谐振图案层、第一介质层、石墨烯图案层、第二介质层、连续石墨烯层、第三介质层，底部金属板；所述谐振图案层由若干金属块和光敏硅块相间排列组成的条形谐振器周期排列而成；所述石墨烯图案层由单层碳原子石墨烯板和在单层碳原子石墨烯板上刻蚀的若干个周期排列的结构单元组成，每个结构单元都是由十字形凹槽连接的四个开口半圆环形凹槽组成。
进一步，所述光敏硅块为正方形光敏硅块，所述金属块为长方形金属块。
进一步，所述条形谐振器的方向相同，且沿着晶胞单元的对角线方向。
进一步，所述正方形光敏硅块和长方形金属块光的厚度相同。
进一步，所述十字形凹槽连接在开口半圆环形凹槽半圆弧部分的中间位置。
进一步，所述相邻结构单元的开口半圆环形凹槽之间留有缝隙。
进一步，所述结构单元中的开口半圆环形凹互不接触。
进一步，所述开口半圆环形凹槽的开口位于半圆环直径中间位置，且开口宽度都是相同。
进一步，所述四个开口半圆环形凹槽的尺寸相同。
进一步，所述十字形凹槽和开口半圆环形凹槽的线宽相同。
石墨烯图案层和连续石墨烯层具有相同的电性能。当给石墨烯层施加直流偏置电压，且将本结构置于没有泵浦光激励的条件下，石墨烯的费米能级达到μc＝0.85eV，光敏硅处于绝缘状态，该多功能超材料工作在宽带吸收工作模式，可以对入射电磁波实现完美宽带吸收的效果；而当设置石墨烯层外加直流偏置电压为0，且将本结构置于泵浦光照激励条件下，石墨烯费米能级为μc＝0eV，光敏硅处于金属状态，该多功能超材料处于极化转换工作模式，实现将入射线极化波或者圆极化波转换到其对应的交叉极化波的效果。
与现有技术相比本发明具有以下优点：
本发明在一个超材料结构中集成了高效的宽频段吸收、宽频段线极化转换和宽频段圆极化转换三种功能，且能够自由控制其工作模式。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种可切换的宽带多功能超材料吸收器/极化转换器的阵列结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种可切换的宽带多功能超材料吸收器/极化转换器的单元结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种可切换的宽带多功能超材料吸收器/极化转换器的谐振图案层的正视图；
图4为本发明实施例提供的一种可切换的宽带多功能超材料吸收器/极化转换器的石墨烯图案层的正视图；
图5为本发明实施例提供的一种可切换的宽带多功能超材料吸收器/极化转换器的单元结构侧视图；
图6为本发明实施例提供的一种可切换的宽带多功能超材料吸收器/极化转换器工作在吸收模式时的反射系数和吸收率曲线图；
图7为本发明实施例提供的一种可切换的宽带多功能超材料吸收器/极化转换器工作在极化转换模式时的线极化反射系数、线极化转换率和相位差曲线图；
图8为本发明实施例提供的一种可切换的宽带多功能超材料吸收器/极化转换器在极化转换状态时的圆极化反射系数、圆极化转换率和相位差曲线图；
图中，1-谐振图案层，2-第一介质层，3-石墨烯图案层，4-第二介质层，5-连续石墨烯层，6-第三介质层，7-底部金属板，8-光敏硅块，9-金属块，,10-十字形凹槽，11-开口半圆环形凹槽。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及结果效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1至图5所示，本发明的一种可切换的宽带多功能超材料吸收器/极化转换器，包括从上至下依次设置的谐振图案层1、第一介质层2、石墨烯图案层3、第二介质层4、连续石墨烯层5、第三介质层6，底部金属板7；
所述谐振图案层1由若干金属块9和光敏硅块8相间排列组成的条形谐振器周期排列而成，所述光敏硅块8为正方形光敏硅块，所述金属块9为长方形金属块，所述光敏硅块8和金属块9光的厚度相同，所述条形谐振器的方向相同，且沿着晶胞单元的对角线方向；
所述石墨烯图案层3由单层碳原子石墨烯板和在单层碳原子石墨烯板上刻蚀的若干个周期排列的结构单元组成，每个结构单元都是由十字形凹槽10连接的四个开口半圆环形凹槽11组成，所述十字形凹槽10连接在开口半圆环形凹槽11半圆弧部分的中间位置，所述相邻结构单元的开口半圆环形凹槽11之间留有缝隙，所述结构单元中的开口半圆环形凹槽11互不接触，所述开口半圆环形凹槽11的开口位于半圆环直径中间位置，且开口宽度都是相同，所述四个开口半圆环形凹槽11的尺寸相同，所述十字形凹槽10和开口半圆环形凹槽11的线宽相同。
图2为单元结构示意图，其中单元边长100μm；谐振图案层条形谐振器的长方形金属块材料为金，电导率为5.8×107S/m，厚度为0.2μm；谐振图案层正方形光敏硅块边长为21μm，厚度为0.2μm，在没有泵浦光照时电导率为σSi＝1S/m，表现为绝缘态，而当采用泵浦光照射时，光敏硅的电导率增加到σSi＝5×105S/m，表现为金属态。石墨烯图案层为在单层石墨烯板上刻蚀出由十字形凹槽连接的四个开口半圆环形凹槽，半圆环外半径为33μm，中心十字凹槽长为33.5μm，凹槽线宽度均为8μm，石墨烯图案层的电导率由外加直流偏置电压来调控。连续石墨烯层为单层碳原子石墨烯层，电性能与石墨烯图案层相同。底部金属板材料为金，电导率为5.8×107S/m，厚度为0.2μm。第一介质层、第二介质层和第三介质层材料均为环烯烃共聚物，厚度分别为1μm、12μm和17μm，介电常数为2.1，损耗正切角为0.0006。
将该实施例中的结构单元通过基于有限积分法的电磁仿真软件进行仿真实验。在X和Y轴方向上分别施加unitcell边界条件，在Z轴方向上设置为addspace边界条件，将Y极化方向的THz波沿着Z轴方向入射到材料表面，对于线极化极化转换率(PCRy)和圆极化波极化转换率(PCRL)可以分别由下式定义：
PCRy＝|rxy|2/(|rxy|2+|ryy|2) (1)
PCRL＝|rRL|2/(|rRL|2+|rLL|2) (2)
其中rxy和ryy分别为入射Y方向极化波对应的交叉极化和共面极化反射系数，rRL和rLL分别为入射左旋圆极化波对应的交叉极化和共面极化反射系数；吸收率可以由下式计算：
A(ω)＝1-R(ω)-T(ω) (3)
其中T(ω)为透射率，由于金属底板能够阻挡电磁波的传输，因此透射率为零，即T(ω)＝0；R(ω)为反射率，对于入射Y极化波，R(ω)＝|rxy|2+|ryy|2.
当给石墨烯层施加直流偏置电压，且将本结构置于没有泵浦光激励的条件下，石墨烯的费米能级达到μc＝0.85eV，光敏硅处于绝缘状态，该多功能超材料处于宽带吸收工作模式，可以对入射电磁波实现完美宽带吸收的效果，在1.748THz～3.523THz频带范围内吸收率超过90％以，吸收带宽为1.775THz，相对带宽达到67.35％，如图6所示；而当设置石墨烯层外加直流偏置电压为0，且将本结构置于泵浦光照激励条件下，石墨烯费米能级为μc＝0eV，光敏硅处于金属状态，该多功能超材料处于极化转换工作模式。当线极化波入射时，能够实现反射式宽带共面极化到交叉极化电磁波的转换效果；当左旋/右旋圆极化波入射时，能够将其转换为右旋/左旋圆极化反射波，对于线极化和圆极化转换模式，在1.541THz～2.551THz频带范围内，极化转换率均达到90％以上，转换带宽为1.01THz，相对带宽为49.36％，如图7和8所示。
因此，本发明在一个超材料结构中集成了高效的宽频吸收、宽频线极化转换和宽频圆极化转换三种功能，且能通过外部激励条件自由控制其工作模式。

Claims (10)

1.一种可切换的宽带多功能超材料吸收器/极化转换器，其特征在于，包括从上至下依次设置的谐振图案层(1)、第一介质层(2)、石墨烯图案层(3)、第二介质层(4)、连续石墨烯层(5)、第三介质层(6)，底部金属板(7)；所述谐振图案层(1)由若干金属块(9)和光敏硅块(8)相间排列组成的条形谐振器周期排列而成；所述石墨烯图案层(3)由单层碳原子石墨烯板和在单层碳原子石墨烯板上刻蚀的若干个周期排列的结构单元组成，每个结构单元都是由十字形凹槽(10)连接的四个开口半圆环形凹槽(11)组成。
2.根据权利要求1所述的一种可切换的宽带多功能超材料吸收器/极化转换器，其特征在于，所述光敏硅块(8)为正方形光敏硅块，所述金属块(9)为长方形金属块。
3.根据权利要求1所述的一种可切换的宽带多功能超材料吸收器/极化转换器，其特征在于，所述条形谐振器的方向相同，且沿着晶胞单元的对角线方向。
4.根据权利要求1所述的一种可切换的宽带多功能超材料吸收器/极化转换器，其特征在于，所述光敏硅块(8)和金属块(9)光的厚度相同。
5.根据权利要求1所述的一种可切换的宽带多功能超材料吸收器/极化转换器，其特征在于，所述十字形凹槽(10)连接在开口半圆环形凹槽(11)半圆弧部分的中间位置。
6.根据权利要求1所述的一种可切换的宽带多功能超材料吸收器/极化转换器，其特征在于，所述相邻结构单元的开口半圆环形凹槽(11)之间留有缝隙。
7.根据权利要求1所述的一种可切换的宽带多功能超材料吸收器/极化转换器，其特征在于，所述结构单元中的开口半圆环形凹槽(11)互不接触。
8.根据权利要求1所述的一种可切换的宽带多功能超材料吸收器/极化转换器，其特征在于，所述开口半圆环形凹槽(11)的开口位于半圆环直径中间位置，且开口宽度都是相同。
9.根据权利要求1所述的一种可切换的宽带多功能超材料吸收器/极化转换器，其特征在于，所述四个开口半圆环形凹槽(11)的尺寸相同。
10.根据权利要求1所述的一种可切换的宽带多功能超材料吸收器/极化转换器，其特征在于，所述十字形凹槽(10)和开口半圆环形凹槽(11)的线宽相同。
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