CN112886274B - 可变吸收率的超宽带太赫兹吸收器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可变吸收率的超宽带太赫兹吸收器。它包括太赫兹波输入端、激光输入端、N×N个正方形单元结构，N为自然数，N×N个正方形单元结构周期排列在与太赫兹波输入方向垂直的平面上；单元结构包括顶层光导硅结构层和衬底金属板；其中，顶层光导硅结构层位于衬底金属板上方，其横截面由圆环与12片涡旋片组成，每片涡旋片由4条圆弧相交而成，12片涡旋片等间距环绕于圆环的圆周上且旋向均朝向同一方向。本发明的可变吸收率的超宽带太赫兹吸收器具有制作方便、方便调节、吸收带宽大等特点，满足太赫兹波系统的应用要求。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹波吸收器，尤其涉及一种可变吸收率的超宽带太赫兹吸收器。
背景技术
太赫兹波是指频率从0.1THz到10THz，波长为3mm到30μm，其频段介于微波与红外光之间的电磁波谱区域。太赫兹所处的独特频段使其具有低能量型、强穿透性、吸水性、瞬态性、指纹谱性等多种特性，在医学诊断、通信、成像、空间天文学、安检等多个领域都具有潜在应用。在过去一段时间里，受限于太赫兹波产生和检测方法的缺失，人们对太赫兹波段电磁辐射性质所知甚少。随着相应技术的产生与突破，太赫兹波凭借其独特的优越特性愈发收研究者关注。现如今，太赫兹技术科学已成为了科技发展与信息产业升级的一条必经之路。
太赫兹吸收器是一种非常重要的太赫兹波功能器件，其在太赫兹雷达、太赫兹通信、太赫兹波成像等太赫兹波应用领域都展示出了广阔的应用前景。虽然部分太赫兹吸收器的加工技术已趋近成熟，但往往结构复杂、吸收带宽窄，且实际制作成本较高，对加工工艺与加工环境有严苛的需求。因此迫切需要研究出一种结构简单、吸收效率高、吸收宽带大的太赫兹吸收器来满足太赫兹系统实际应用需要。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是克服现有技术的不足，提供可变吸收率的超宽带太赫兹吸收器，吸收带宽达可达7.11THz。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种可变吸收率的超宽带太赫兹吸收器，它包括N×N个正方形周期单元结构，N为自然数；N×N个单元结构周期排列在与太赫兹波输入方向垂直的平面上；每个单元结构包括顶层光导硅结构层和衬底金属板，顶层光导硅结构层安装于衬底金属板上，所述的衬底金属板板面为正方形，N×N个单元结构的衬底金属板连续拼接；所述的顶层光导硅结构层为柱体，其横截面由圆环与12片涡旋片组成，每片涡旋片由4条圆弧相交而成，12片涡旋片等间距环绕于圆环的圆周上且旋向均朝向同一方向；顶层光导硅结构层的顶面作为太赫兹波输入端和激光输入端，当太赫兹波从太赫兹波输入端输入时，通过外加激光改变顶层光导硅结构层的光导硅电导率，达到吸收器吸收率可变的功能。
上述方案中的各部件具体参数可采用如下优选方式：
作为优选，所述顶层光导硅结构层的材料为光导硅，厚度为40μm～60μm；12个涡旋片以相同的圆心角间距分布在圆环的周向，且与圆环连接为一体。
作为优选，在每一个单元结构的俯视图中，所述顶层光导硅结构层的轴心与衬底金属板的中心重合。
进一步的，在每一个单元结构的俯视图中，所述圆环的外半径为2.2μm～2.6μm，内半径为1μm～2μm，组成12片涡旋片中的一片涡旋片的4条圆弧中，第一条圆弧和第二条圆弧所在圆的圆心均与所述圆环的圆心重合，第一条圆弧所在圆的半径与圆环的外半径相同，第二条圆弧所在圆的半径为3μm～6μm，第三条圆弧所在圆的圆心距离衬底金属板下侧边界线和左侧边界线距离分别为8μm～9μm和9μm～10μm，第三条圆弧所在圆的半径为6μm～7μm，第四条圆弧所在圆的圆心距离衬底金属板下侧边界线和左侧边界线距离分别为7μm～8μm和9μm～10μm，第四条圆弧所在圆的半径为4μm～5μm，而其余11片涡旋片由这一片涡旋片沿所述圆环周向等间距阵列布置而成。
作为优选，所述衬底金属板的材质为银，边长为10μm～14μm，厚度为1μm～2μm。
作为优选，当太赫兹波从太赫兹波输入端输入时，在顶层光导硅结构层有外加激光条件下，光导硅电导率σ＝10000S/m，吸收器具有2.89THz～10THz范围内吸收率超过87％的7.11THz带宽。
作为优选，当太赫兹波输入端的太赫兹波入射角度在0°～60°内改变时，超宽带太赫兹吸收器均能保持75％以上的吸收率。
作为优选，通过改变顶层光导硅结构层的外加激光条件，使光导硅载流子浓度改变导致其电导率迅速发生变化，该吸收器具有1％～95％的吸收率可变性。
本发明的可变吸收率的超宽带太赫兹吸收器具有结构简单紧凑，吸收率可调，吸收带宽大等特点，满足在太赫兹波成像、医学诊断、传感、通信等领域应用要求。
附图说明
图1是可变吸收率的超宽带太赫兹吸收器的二维平面图和三维单元结构图；
图2是可变吸收率的超宽带太赫兹吸收器顶层光导硅结构层的二维单元结构图；
图3是形成涡旋片的第一步示意图；
图4是形成涡旋片的第二步示意图；
图5是形成涡旋片的各圆的尺寸位置示意图(图中尺寸的单位为μm)；
图6是可变吸收率的超宽带太赫兹吸收器最佳吸收性能下的归一化阻抗匹配图；
图7是可变吸收率的超宽带太赫兹吸收器的最佳吸收性能图；
图8是可变吸收率的超宽带太赫兹吸收器的光导硅不同电导率的吸收器吸收性能对比图；
图9是可变吸收率的超宽带太赫兹吸收器不同入射角度的吸收器吸收性能对比图；
图10是可变吸收率的超宽带太赫兹吸收器的7.0THz处吸收器电场分布俯视图；
图11是可变吸收率的超宽带太赫兹吸收器的7.0THz处吸收器电场分布侧视图。
具体实施方式
如图1所示，在本发明的一个实施例中，提供了一种可变吸收率的超宽带太赫兹吸收器，它包括N×N个正方形周期单元结构1，N为自然数。N×N个单元结构1周期排列在与太赫兹波输入方向垂直的平面上。每个单元结构1的形式参见图1中的放大图所示，每个单元结构1包括顶层光导硅结构层3和衬底金属板4，其中顶层光导硅结构层3安装于衬底金属板4上。衬底金属板4是一块正方形的金属板，即其板面为正方形，N×N个单元结构1的衬底金属板4连续拼接，而衬底金属板4上的顶层光导硅结构层3为柱体，N×N个单元结构1中的顶层光导硅结构层3不相接，相互保持间距。
如图2所示，为每一个单元结构1在俯视状态下的二维平面图，由于顶层光导硅结构层3为均匀的柱体，因此其任一位置的横截面均与其顶面的形状一致。从图中可以看出，其横截面由圆环7与12片涡旋片6组成，每片涡旋片6由4条圆弧相交而成，12片涡旋片6等间距环绕于圆环7的圆周上且旋向均朝向同一方向。此处所说的旋向即涡旋片6的整体弯曲方向。顶层光导硅结构层3的顶面作为太赫兹波输入端2和激光输入端5，太赫兹波和外加激光均从顶层光导硅结构层3的顶面输入。当太赫兹波从太赫兹波输入端2输入时，通过外加激光改变顶层光导硅结构层3的光导硅电导率，达到吸收器吸收率可变的功能。
在本发明中，每片涡旋片6是由4条圆弧相交而成的，其在平面中本质上是由4个圆的交线所围合成的区域。涡旋片6的形状会影响器件最终的性能，下面具体介绍本发明中顶层光导硅结构层3横截面内涡旋片6和圆环7的形状确定方式：
在每一个单元结构1的俯视图中(即图2的视角下)，以衬底金属板4的中心作为圆心A，分别绘制三个半径依次增大的同心圆C1、C2和C3，参见图3所示。其中同心圆C1和C2之间夹持成的圆环区域即前述的圆环7，而12片涡旋片6则分布于同心圆C2和C3之间夹持成的圆环区域中。再参见图4所示，在偏离衬底金属板4圆心A的位置选择两个处于同一列上的圆心B和圆心C，然后分别以圆心B和圆心C作两个圆C4和C5。由此C2、C3、C4和C5四个圆的交线围合成了一个图4中的阴影区域，该阴影区域就是其中一片涡旋片6。当这一片C2、C3、C4和C5夹持形成的涡旋片6的形状和位置确定后，将其绕着圆环7的圆周方向进行环形阵列再复制11个，就可以在圆环7的轴向形成12个等间距分布的涡旋片6，相邻涡旋片6之间的圆心角为30°。在该做法下得到的涡旋片6具有较佳的性能。
该可变吸收率的超宽带太赫兹吸收器中各部件的具体材料和参数如下：顶层光导硅结构层3的材料为光导硅，厚度为40μm～60μm；12个涡旋片6以相同的30°圆心角间距分布在圆环7的周向，且与圆环7连接为一体。在每一个单元结构1的俯视图中，所述顶层光导硅结构层3的轴心(即圆环7的圆心)与衬底金属板4的中心A重合。参见图5所示，在每一个单元结构1的俯视图中，圆环7的外半径R2为2.2μm～2.6μm，内半径R1为1μm～2μm，组成12片涡旋片6中的一片涡旋片6的4条圆弧中，第一条圆弧和第二条圆弧所在圆的圆心均与圆环7的圆心A重合，第一条圆弧所在圆C2的半径与圆环7的外半径R2相同，第二条圆弧所在圆C3的半径R3为3μm～6μm，第三条圆弧所在圆C5的圆心C距离衬底金属板4下侧边界线和左侧边界线距离分别为8μm～9μm和9μm～10μm，第三条圆弧所在圆C5的半径R5为6μm～7μm，第四条圆弧所在圆C4的圆心B距离衬底金属板4下侧边界线和左侧边界线距离分别为7μm～8μm和9μm～10μm，第四条圆弧所在圆C4的半径R4为4μm～5μm，而其余11片涡旋片6由这一片涡旋片6沿圆环7周向等间距阵列布置而成。衬底金属板4的材质为银，边长为10μm～14μm，厚度为1μm～2μm。
针对该可变吸收率的超宽带太赫兹吸收器，当太赫兹波从太赫兹波输入端2输入时，在顶层光导硅结构层3有外加激光条件下，即光导硅电导率σ＝10000S/m时，吸收器具有2.89THz～10THz范围内吸收率超过87％的7.11THz带宽。当太赫兹波输入端2的太赫兹波入射角度在0°～60°内改变时，超宽带太赫兹吸收器均能保持75％以上的吸收率。当顶层光导硅结构层3的外加激光条件改变时，由于光导硅载流子浓度改变导致其电导率迅速发生变化，该吸收器能够具有1％～95％的吸收率可变性。
下面基于本具体实施方式中的可变吸收率的超宽带太赫兹吸收器，通过实施例说明其具体技术效果。
实施例1
本实施例中，可变吸收率的超宽带太赫兹吸收器的结构和各部件形状如上所述，因此不再赘述。但各部件的具体参数如下：
顶层光导硅结构层3的材料为光导硅，厚度为50μm。12个涡旋片6以相同的30°圆心角间距分布在圆环7的周向，且与圆环7连接为一体。在每一个单元结构1的俯视图中，所述顶层光导硅结构层3的轴心与衬底金属板4的中心A重合。在每一个单元结构1的俯视图中(即图2的视角下)，圆环7的外半径为2.4μm，内半径为2μm，组成12片涡旋片6中的一片涡旋片6的4条圆弧中，第一条圆弧和第二条圆弧所在圆的圆心均与圆环7的圆心重合，第一条圆弧所在圆的半径与圆环7的外半径相同，第二条圆弧所在圆的半径为4μm，第三条圆弧所在圆的圆心距离衬底金属板4下侧边界线和左侧边界线距离分别为9μm和9.6μm，第三条圆弧所在圆的半径为6μm，第四条圆弧所在圆的圆心距离衬底金属板4下侧边界线和左侧边界线距离分别为8μm和9.6μm，第四条圆弧所在圆的半径为5μm，而其余11片涡旋片6由这一片涡旋片6沿圆环7周向等间距复制后呈环形阵列布置而成。衬底金属板4的材质为银，边长为12μm，厚度为1μm～2μm。
该吸收器通过改变外加激光的强度来改变光导硅的电导率，达到吸收器吸收率可变的功能。由于该可变吸收率的超宽带太赫兹吸收器底层有金属板，因此太赫兹波不能透射出去。该可变吸收率的超宽带太赫兹吸收器的各项性能指标均采用CST STUDIO SUITE2019软件进行仿真计算获取。图6是可变吸收率的超宽带太赫兹吸收器最佳吸收性能下的归一化阻抗匹配图，由图可知，该吸收器在2.89THz～10THz带宽范围内归一化阻抗匹配实部趋向于1，虚部趋向于0，此时吸收器归一化表面阻抗与自由空间阻抗形成良好的匹配，从而实现优异的吸收性能。图6对应的吸收器最佳吸收性能如图7所示，当太赫兹波从太赫兹波输入端输入时，在顶层光导硅结构层有外加激光条件下，即光导硅电导率σ＝10000S/m时，吸收器在2.89THz～10THz带宽范围内吸收率超过87％，其带宽可达7.11THz。图8是可变吸收率的超宽带太赫兹吸收器的光导硅在不同电导率条件下吸收器吸收性能对比图，当顶层光导硅结构层的外加激光条件改变时，由于光导硅载流子浓度改变从而导致其电导率迅速发生变化，由图可知，吸收器的吸收性能随着电导率的减小而减小，在2.89THz～10THz范围内吸收率最低可达1％，此时吸收器获得了1％～95％的吸收率可变性。图9是可变吸收率的超宽带太赫兹吸收器不同入射角度的吸收器吸收性能对比图，当太赫兹波的入射角度在0°～60°范围内改变时，可变吸收率的超宽带太赫兹吸收器在带宽范围内均可保持75％以上的吸收率。图10和图11分别是是可变吸收率的超宽带太赫兹吸收器在7.0THz处吸收器电场分布的俯视图和侧视图，由图10可知，该频点下能量主要集中于涡旋环上下两侧涡旋片的尖端，由图11可知，该频点下能量在涡旋柱上中下三片区域呈条状分布，且越远离衬底金属板的区域能量越集中。
Claims (8)
1.一种可变吸收率的超宽带太赫兹吸收器，其特征在于，它包括N×N个正方形周期单元结构（1），N为自然数；N×N个单元结构（1）周期排列在与太赫兹波输入方向垂直的平面上；每个单元结构（1）包括顶层光导硅结构层（3）和衬底金属板（4），顶层光导硅结构层（3）安装于衬底金属板（4）上，所述的衬底金属板（4）板面为正方形，N×N个单元结构（1）的衬底金属板（4）连续拼接；所述的顶层光导硅结构层（3）为柱体，其横截面由圆环（7）与12片涡旋片（6）组成，每片涡旋片（6）由4条圆弧相交而成，12片涡旋片（6）等间距环绕于圆环（7）的圆周上且旋向均朝向同一方向；顶层光导硅结构层（3）的顶面作为太赫兹波输入端（2）和激光输入端（5），当太赫兹波从太赫兹波输入端（2）输入时，通过外加激光改变顶层光导硅结构层（3）的光导硅电导率，达到吸收器吸收率可变的功能。
2.如权利要求1所述的可变吸收率的超宽带太赫兹吸收器，其特征在于，所述顶层光导硅结构层（3）的材料为光导硅，厚度为40µm~60μm；12个涡旋片（6）以相同的圆心角间距分布在圆环（7）的周向，且与圆环（7）连接为一体。
3.如权利要求1所述的可变吸收率的超宽带太赫兹吸收器，其特征在于，在每一个单元结构（1）的俯视图中，所述顶层光导硅结构层（3）的轴心与衬底金属板（4）的中心重合。
4. 如权利要求3所述的可变吸收率的超宽带太赫兹吸收器，其特征在于，在每一个单元结构（1）的俯视图中，所述圆环（7）的外半径为2.2μm ~2.6μm，内半径为1μm ~2μm，组成12片涡旋片（6）中的一片涡旋片（6）的4条圆弧中，第一条圆弧和第二条圆弧所在圆的圆心均与所述圆环（7）的圆心重合，第一条圆弧所在圆的半径与圆环（7）的外半径相同，第二条圆弧所在圆的半径为3μm ~6μm，第三条圆弧所在圆的圆心距离衬底金属板（4）下侧边界线和左侧边界线距离分别为8μm ~9μm和9μm ~10μm，第三条圆弧所在圆的半径为6μm ~7μm，第四条圆弧所在圆的圆心距离衬底金属板（4）下侧边界线和左侧边界线距离分别为7μm ~8μm和9μm ~10μm，第四条圆弧所在圆的半径为4μm ~5μm，而其余11片涡旋片（6）由这一片涡旋片（6）沿所述圆环（7）周向等间距阵列布置而成。
5. 如权利要求1所述的可变吸收率的超宽带太赫兹吸收器，其特征在于，所述衬底金属板（4）的材质为银，边长为10µm~14μm，厚度为1μm ~2μm。
6.如权利要求1所述可变吸收率的超宽带太赫兹吸收器，其特征在于，当太赫兹波从太赫兹波输入端（2）输入时，在顶层光导硅结构层（3）有外加激光条件下，光导硅电导率σ=10000S/m，吸收器具有2.89THz~10THz范围内吸收率超过87%的7.11THz带宽。
7.如权利要求1所述可变吸收率的超宽带太赫兹吸收器，其特征在于，当太赫兹波输入端（2）的太赫兹波入射角度在0°~60°内改变时，超宽带太赫兹吸收器均能保持75%以上的吸收率。
8.如权利要求1所述可变吸收率的超宽带太赫兹吸收器，其特征在于，通过改变顶层光导硅结构层（3）的外加激光条件，使光导硅载流子浓度改变导致其电导率迅速发生变化，该吸收器具有1%~95%的吸收率可变性。
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|---|
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| 基于超材料的多频带可调谐太赫兹吸收器;佟艳群等;《红外与毫米波学报》;20201215;第39卷(第6期);全文 * |
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