CN113036444A - 一种偏振不敏感超材料双频太赫兹吸收器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种偏振不敏感超材料双频太赫兹吸收器，包括依次叠设的金属衬底层、介质层和金属谐振层，所述金属谐振层包括“卍”字形结构，所述“卍”字形结构的外周设置有正方形金属环结构。本发明的偏振不敏感超材料双频太赫兹吸收器对太赫兹波具有极好的吸收能力，且具有偏振不敏感特性以及宽入射角度特性。

Description

一种偏振不敏感超材料双频太赫兹吸收器
技术领域
本发明涉及电磁波和新型电磁材料技术领域，尤其涉及一种偏振不敏感超材料双频太赫兹吸收器。
背景技术
太赫兹波处于毫米波与远红外光之间，是电子学向光子学过渡的特殊区域。由于其独特的频率和波长，太赫兹波及其相关技术的应用逐渐成为各个领域的研究热点。而太赫兹波段的开发和利用离不开太赫兹功能器件，太赫兹吸收器作为一种太赫兹应用的基本功能器件，被广泛应用于探测器、频谱成像、隐身等领域。
电磁超材料是一种由亚波长结构组成的周期性阵列，可以看作是一种均匀的电磁材料，并通过等效介电常数ε(ω)和等效磁导率μ(ω)来描述。它的电磁性质主要取决于结构的设计，可以通过不断优化超材料器件的结构单元，使其具备其他材料所不具备的电磁特性。在自然界中，很少有物质能在太赫兹频段响应，但是超材料的出现成为了解决这一问题的关键。
发明内容
本发明的目的是提供一种偏振不敏感超材料双频太赫兹吸收器，对太赫兹波具有极好的吸收能力，且具有偏振不敏感特性以及宽入射角度特性。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
本发明提供了一种偏振不敏感超材料双频太赫兹吸收器，包括依次叠设的金属衬底层、介质层和金属谐振层，所述金属谐振层包括“卍”字形结构，所述“卍”字形结构的外周设置有正方形金属环结构。
进一步地，所述金属衬底层的材料为铝，电导率0.344×108S/m。
进一步地，所述金属衬底层的边长为25μm，厚度为0.2μm。
进一步地，所述介质层的材料为聚酰亚胺。
进一步地，所述介质层的边长为25μm，厚度为2.75μm。
进一步地，所述金属谐振层的材料为铝，电导率0.344×108S/m。
进一步地，所述金属谐振层的边长为25μm，厚度为0.05μm。
进一步地，所述“卍”字形结构和所述正方形金属环结构的中心重合，且两者之间的距离为0.75μm。
进一步地，所述“卍”字形结构的各边长为9.25μm，宽度为1.25μm，所述正方形金属环结构的宽度为2.2μm。
进一步地，所述偏振不敏感双频太赫兹超材料吸收器设置有若干个，呈M*N二维周期排布，其中M和N都是正整数
本发明的有益效果：
本发明所述的双频太赫兹吸收器在0-4THz的频率范围内实现两个吸收峰，且其吸收率均超过98.8％；
具有对入射电磁波偏振不敏感的特性，对与不同偏振方式下的TE模式和TM模式的入射电磁波其吸收性能稳定，无明显差异；
具有较宽入射角度吸收特性：对于入射角度小于20°的入射电磁波时，吸收曲线无明显变化，当入射角增大到40°时，吸收率稍有下降，两个吸收频率均右移0.1THz，仍能保持95％以上的吸收，当入射角增大到60°时，吸收率急剧下降，两个吸收频率均右移0.2THz，但仍能保持75％以上的吸收；
具有结构简单，易于制作的特点。
附图说明
图1为根据本发明实施例提供的一种偏振不敏感超材料双频太赫兹吸收器的单元结构示意图；
图2为根据本发明实施例提供的一种偏振不敏感超材料双频太赫兹吸收器的金属谐振层结构示意图；
图3为根据本发明实施例提供的一种偏振不敏感超材料双频太赫兹吸收器的吸收率曲线图；
图4为根据本发明实施例提供的一种偏振不敏感超材料双频太赫兹吸收器为“卍”字形结构吸收率曲线图；
图5为根据本发明实施例提供的一种偏振不敏感超材料双频太赫兹吸收器为正正方形金属环结构吸收率曲线图；
图6为根据本发明实施例提供的一种偏振不敏感超材料双频太赫兹吸收器为频率在1.508THz时的电场分布图；
图7为根据本发明实施例提供的一种偏振不敏感超材料双频太赫兹吸收器为频率在2.464THz时的电场分布图；
图8为根据本发明实施例提供的一种偏振不敏感超材料双频太赫兹吸收器在电磁波不同偏振方式下的吸收率曲线图；
图9为根据本发明实施例提供的一种偏振不敏感超材料双频太赫兹吸收器在电磁波不同入射角度下的吸收率曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明涉及一种偏振不敏感超材料双频太赫兹吸收器，其单元结构示意图如图1所示，包括金属衬底层1、介质层2、金属谐振层3；金属衬底层1位于介质层2下表面，介质层2位于金属谐振层3下表面。所述金属衬底层1的材料为铝，电导率为0.344×108S/m，其长宽均为25μm，厚度为0.2μm；所述介质层的材料为聚酰亚胺，介电常数为3.4+0.2i，其长宽均为25μm，厚度为2.75μm；所述金属谐振层的材料为铝，电导率为0.344×108S/m，由特殊的金属图样构成。
本发明所述的双频太赫兹吸收器在0-4THz的频率范围内实现两个吸收峰，且其吸收率均超过98.8％；具有对入射电磁波偏振不敏感的特性，对与不同偏振方式下的TE模式和TM模式的入射电磁波其吸收性能稳定，无明显差异；具有较宽入射角度吸收特性：对于入射角度小于20°的入射电磁波时，吸收曲线无明显变化，当入射角增大到40°时，吸收率稍有下降，两个吸收频率均右移0.1THz，仍能保持95％以上的吸收，当入射角增大到60°时，吸收率急剧下降，两个吸收频率均右移0.2THz，但仍能保持75％以上的吸收；其结构简单，易于制作。
金属谐振层的结构示意图如图2所示，包括一个“卍”字形结构4和一个正方形金属环结构5；其中“卍”字形结构4是由两个长宽分别为9.25μm、1.25μm的互相垂直且共端点的矩形结构通过四次顺时针旋转90°构成的；正方形金属环结构5是由一个边长为12.2μm的正正方形结构挖去一个边长为12μm的正正方形结构构成的。
本实施例所述的偏振不敏感超材料双频太赫兹吸收器的吸收率表达式为：A＝1-T-R，式中T为透射率，R为反射率。为了获得一个最大的吸收率，尽可能的使透射率和反射率小，且金属衬底层的厚度远大于电磁波的趋肤深度，入射的电磁波近乎在底层衰减，器件的透射率趋近于零，即吸收率的表达示简化为:A＝1-R。
申请人利用利用三维电磁仿真软件CST对本发明的单元结构进行仿真分析，在x，y方向上设置边界条件为晶胞边界，z方向为电磁波的入射方向，图3显示了通过仿真获得的本发明的吸收谱曲线，从图3中可以看出，本发明在1.508THz、2.464THz时的吸收率为98.9％、98.8％。
本发明的超材料双频太赫兹吸收器采用叠加组合结构，在一个叠加组合的结构内，不同尺寸结构的谐振强度各个都很强，将不同尺寸的结构叠加组合后，其超材料单元会更加容易实现多频响应。利用这一物理特性，在“卍”字形结构的基础上再叠加组合一个正方形金属环的结构，对本发明的“卍”字形和正方形金属环这两种独立结构进行仿真分析，其吸收谱曲线如图4、图5所示。如图6、图7所示，两个吸收频点的表面电场图也验证其双频吸收的机制，在1.508THz时其能量主要聚集在正方形金属环上，在2.464THz时其能量主要聚集在“卍”字形上。
偏振不敏感特性是吸收器的重要特性之一。在两种不同偏振方式下的电磁波垂直入射时，所述双频太赫兹超材料吸收器的吸收谱曲线图如图8所示。可以看出，对于TE和TM模式下，所述双频太赫兹超材料吸收器的吸收曲线一致，其性能无明显差异。因此，所述超材料双频太赫兹吸收器具有对入射电磁波偏振方式不敏感的特性。
在实际使用过程中，入射到吸收器表面上的电磁波可能并不是垂直入射，那么要求吸收器对具有较大入射角的电磁波也具有良好的吸收率。电磁波以不同角度入射时，所述超材料双频太赫兹吸收器的吸收谱曲线图如图9所示。当入射角增大到20°时，吸收曲线无明显变化；当入射角增大到40°时，吸收率稍有下降，两个吸收频率均右移0.1THz，仍能保持95％以上的吸收；当入射角增大到60°时，吸收率急剧下降，两个吸收频率均右移0.2THz，但仍能保持75％以上的吸收。总的来说，此结构的吸收器能够实现对较大入射角电磁波的良好吸收。
综上所述，本发明所述的超材料双频太赫兹吸收器在实现两个频率高效吸收的同时，对于两种不同TE、TM偏振方式下的电磁波都有很好的吸收，具有偏振不敏感特性；在电磁波入射角小于40°时，吸收谱曲线无明显变化，仍能保持两个频率超过98.8％以上的吸收率。本方案通过多频吸收的物理机制有效拓展了吸收峰个数，对于多频太赫兹吸收器具有指导意义。
以上对本发明的较佳实施进行了具体说明，当然，本发明还可以采用与上述实施方式不同的形式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下所作的等同的变换或相应的改动，都应该属于本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种偏振不敏感超材料双频太赫兹吸收器，其特征在于，包括依次叠设的金属衬底层、介质层和金属谐振层，所述金属谐振层包括“卍”字形结构，所述“卍”字形结构的外周设置有正方形金属环结构。
2.根据权利要求1所述的一种偏振不敏感超材料双频太赫兹吸收器，其特征在于，所述金属衬底层的材料为铝，电导率0.344×108S/m。
3.根据权利要求1所述的一种偏振不敏感超材料双频太赫兹吸收器，其特征在于，所述金属衬底层的边长为25μm，厚度为0.2μm。
4.根据权利要求1所述的一种偏振不敏感超材料双频太赫兹吸收器，其特征在于，所述介质层的材料为聚酰亚胺。
5.根据权利要求1所述的一种偏振不敏感超材料双频太赫兹吸收器，其特征在于，所述介质层的边长为25μm，厚度为2.75μm。
6.根据权利要求1所述的一种偏振不敏感超材料双频太赫兹吸收器，其特征在于，所述金属谐振层的材料为铝，电导率0.344×108S/m。
7.根据权利要求1所述的一种偏振不敏感超材料双频太赫兹吸收器，其特征在于，所述金属谐振层的边长为25μm，厚度为0.05μm。
8.根据权利要求1所述的一种偏振不敏感超材料双频太赫兹吸收器，其特征在于，所述“卍”字形结构和所述正方形金属环结构的中心重合，且两者之间的距离为0.75μm。
9.根据权利要求8所述的一种偏振不敏感超材料双频太赫兹吸收器，其特征在于，所述“卍”字形结构的各边长为9.25μm，宽度为1.25μm，所述正方形金属环结构的宽度为2.2μm。
10.根据权利要求1所述的一种偏振不敏感超材料双频太赫兹吸收器，其特征在于，所述偏振不敏感双频太赫兹超材料吸收器设置有若干个，呈M*N二维周期排布，其中M和N都是正整数。
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