CN113359326B - 基于等离子体超材料的电磁调制器及多功能调制方法 - Google Patents

基于等离子体超材料的电磁调制器及多功能调制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于等离子体超材料的电磁调制器及多功能调制方法，基板上表面设置关于基板中心90度旋转对称的四个上表面开口谐振环，并且四个上表面开口谐振环之间还设置十字形的金属横切线，在基板的下表面与四个上表面开口谐振环相对应的位置设置关于中心90度旋转对称的四个下表面开口谐振环。通过控制不同区域的固态等离子体谐振枝节的激励状态，本发明的功能可在电磁诱导透明和隔离器之间自由切换，其中电磁诱导透明的两个透射窗口均表现出良好的慢波特性，同时结合隔离器，我们能够实现多个频点在透射峰和透射谷间转换，从而能实现电磁波传输的“开/关”调制作用。

Description

基于等离子体超材料的电磁调制器及多功能调制方法
技术领域
本发明涉及固态等离子体和电磁调制器的实用技术和器件技术领域，特别是基于等离子体超材料的电磁调制器及多功能调制方法。
背景技术
电磁超材料，又称超材料，是根据人们应用需求，具有人工设计的结构并呈现出天然材料难以具备的超常物理性质的复合材料。由于电磁超材料具有与普通材料不同的电磁特性，因此在固体物理，材料学，光学以及电磁学等研究领域得到了相当大的关注与应用，是当下热门研究问题之一。超材料近年来由于其独特的电磁特性使得它衍生出了许多潜在应用，如完美隐形、负折射、成像、吸波器、天线的小型化等等，而基于电磁超材料模拟电磁诱导透明在近几年亦成为了研究热点。
电磁诱导透明是三原子系统中一个重要的干涉现象，它的特征是使得原来宽的吸收谱中出现一个陡峭的传输峰，也叫透射峰。同时，在窄带传输窗口中，传输的相位发生突变，因而产生光速减慢效果以及非线性作用。这些性质使得电磁诱导透明在慢光器件制造、光信号储存、传感器、量子开关和非线性器件中存在广泛应用。人们发现，利用超材料可以成功模拟电磁诱导透明现象，给深入研究电磁诱导透明提供了一种新的思路。电磁隔离器，即利用电磁谐振对特定频率的电磁波起到隔离作用，使其不能通过设备，从而起到限制电磁波传播的作用。如果在一些频点处合理地产生电磁谐振隔离，可以实现对电磁波传输的“开/关”调制效果。
现如今，调控手段所能达到的调控性能效果经常受限于外界环境和可调控器件对物理场的响应程度, 难以适应当今技术发展的要求。
固态等离子体能够很好地解决这一问题，固态等离子体是采用通过外加激励例如电或光的形式在半导体本征层形成的，当外加激励并且固态等离子体内载流子浓度达到一定值时，其表现出与金属性质。当未激发时，其表现类似半导体的介质特性，因此能在可调谐/可重构、多功能、多物理场的电磁器件大有用处，其实现功能更加多样，能对更加复杂多样的电磁环境做出更充分地响应。
目前很少有同时实现电磁诱导透明-隔离器功能切换的基于等离子体超材料的电磁调节器并且开关特性有待提高。另外虽然基于超材料的电磁诱导透明器件引起了广泛关注，但是通常，基于超材料的电磁诱导透明器的透明窗都在固有的单一频率范围，若调节透明窗的频率范围，必须改变结构的几何参数，而对于加工好的结构较难实现。
发明内容
本发明一方面旨在解决现有技术中基于超材料的电磁诱导透明器的透明窗都在单一频率范围的技术问题，提供一种基于等离子体超材料的电磁调制器，为实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案：
提供一种基于等离子体超材料的电磁调制器，包括：基板，所述基板上表面设置关于基板中心90度旋转对称的四个上表面开口谐振环，并且四个上表面开口谐振环之间还设置十字形的金属横切线，在所述基板的下表面与四个上表面开口谐振环相对应的位置设置关于中心90度旋转对称的四个下表面开口谐振环；
所述上表面开口谐振环和下表面开口谐振环均由固态等离子体延伸枝节和金属枝节构成且开口方向相差90度，所述下表面开口谐振环的固态等离子体枝节只存在于与开口相对的连接处，上表面开口谐振环的固态等离子体枝节存在于开口处以及与开口相对的连接处。
进一步地，所述十字形的金属横切线由两个长为154 μm，宽为5.5 μm，厚度为0.2μm的长方体组成。
再进一步地，所述十字形的金属横切线材料为铜。
进一步地，所述四个上表面开口谐振环为四边形，相邻两边互为90度，在其中一个边的中部设置开口，在开口所在的边上位于开口两侧设置等宽的固态等离子体延伸枝节，在与开口所在的边相对的边上与开口对应的位置设置与所述开口等宽的固态等离子体延伸枝节，且上表面开口谐振环其余连接部分设置为金属枝节。
进一步地，所述四个下表面开口谐振环为四边形，相邻两边互为90度，其中一个边为开口，与开口相对的边的中部设置与上表面开口谐振环开口等宽的固态等离子体延伸枝节。
进一步地，所述金属枝节为铜枝节。
进一步地，所述基板的材料为聚酰亚胺。
另一方面，本发明旨在解决目前很少有同时实现电磁诱导透明-隔离器功能切换的基于等离子体超材料的电磁调节器并且开关特性有待提高的技术问题，提供一种基于等离子体超材料的多功能电磁调制方法，采用如以上技术方案提供的一种基于等离子体超材料的多功能电磁调制器，所述电磁调制方法包括：
通过外部的逻辑阵列编程控制固态等离子体构成的谐振单元的激励状态，控制上表面开口谐振环开口相对的连接处的固态等离子体枝节和下表面开口谐振环与开口相对的连接处的固态等离子体枝节使其处于激励状态，上表面开口谐振环开口处的固态等离子体枝节处于未激励状态，所述电磁调制器实现状态一即电磁诱导透明功能；控制上表面开口谐振环开口处的固态等离子体枝节处于激励状态，上表面开口谐振环开口相对的连接处的固态等离子体枝节和下表面开口谐振环与开口相对的连接处的固态等离子体枝节使其处于未激励状态，所述电磁调制器实现状态二即隔离器功能。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1) 本发明提供的一种基于等离子体超材料的电磁调制器可以实现电磁诱导透明有两个透射窗口，第一个透射窗口表现为窄带，第二个透射窗口表现为宽带；并且电磁诱导透明表现出良好的慢波特性，实现了对电磁波的传播速度的调制作用，在慢波器件领域有很好的应用前景。
（2）本发明提供的一种基于等离子体超材料的多功能电磁调制方法实现两种状态下的透射峰和透射谷对应的频点相同，从而实现对特定频率电磁波的通断的精准控制，使得对电磁波的过滤筛选达到最优效果。
(3) 本发明是一种基于等离子体超材料的多功能电磁调制器，通过外部的逻辑阵列编程控制固态等离子体构成的谐振单元的激励状态，从而实现了电磁诱导透明-隔离器的功能切换；本发明通过控制不同区域的固态等离子体谐振枝节的激励状态，状态一的电磁诱导透明的两个透射窗口均具有良好的慢波特性，同时结合状态二的隔离器，我们能够实现多个频点在透射峰和透射谷间转换，同时实现了对电磁波的两种调制，分别为传播速度调制和频率选择的调制，电磁诱导透明的慢波特性为传播速度调制，两个状态下多个频点在透射峰和透射谷间的转换，这种对电磁波传输的“开/关”调制，可视为频率选择调制。
(4) 本发明具有多功能、设计新颖、实用性强、功能性强等特点，为多功能器件的设计与开发提供了新的思路。
附图说明
图1为本发明具体实施例提供的一种基于等离子体超材料的电磁调制器的顶层结构图；
图2为本发明具体实施例提供的一种基于等离子体超材料的电磁调制器的底层结构图；
图3为本发明具体实施例提供的一种基于等离子体超材料的电磁调制器侧视图；
图4为本发明具体实施例提供的一种基于等离子体超材料的电磁调制器立体图；
图5 为本发明具体实施例提供的一种基于等离子体超材料的电磁调制器状态一的传输曲线图；
图6为本发明具体实施例提供的一种基于等离子体超材料的电磁调制器状态一传输相位曲线。
图7为本发明具体实施例提供的一种基于等离子体超材料的电磁调制器状态一群折射率曲线；
图8是本发明具体实施例提供的一种基于等离子体超材料的能电磁调制器状态二的传输曲线图；
图9为本发明具体实施例提供的一种基于等离子体超材料的能电磁调制器状态一和状态二的传输曲线的对比图；
附图标记解释：1—十字形横切线，2—顶层开口谐振环的铜枝节，3—顶层开口谐振环的固态等离子体延伸枝节，4—顶层开口谐振环的固态等离子体连接枝节，5—聚酰亚胺介质板，6—底层开口谐振环的固态等离子体连接枝节，7—底层开口谐振环的铜枝节。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施例对本发明的技术方案做进一步的阐述：
实施例一：本发明一种基于等离子体超材料的电磁调制器，其结构如图1~图4所示，包括基板（本实施例为聚酰亚胺介质板(5)），聚酰亚胺介质板(5)上表面设置关于聚酰亚胺介质板(5)中心90度旋转对称的四个上表面开口谐振环，并且四个上表面开口谐振环之间还设置十字形横切线(1)，十字形横切线(1)和开口环相互耦合产生电磁诱导透明。
在聚酰亚胺介质板(5)的下表面与四个上表面开口谐振环相对应的位置设置关于中心90度旋转对称的四个下表面开口谐振环；上表面开口谐振环和下表面开口谐振环的开口方向相差90度且均包括固态等离子体延伸枝节和金属枝节。下表面开口谐振环的固态等离子体枝节只存在于与开口相对的连接处，见如图1~图4中四个下表面开口谐振环为四边形，相邻两边互为90度，其中一个边为开口，与开口相对的边的中部设置与上表面开口谐振环开口等宽的底层开口谐振环的固态等离子体连接枝节(6)，下表面开口谐振环其余连接部分为底层开口谐振环的铜枝节（7）。上表面开口谐振环的固态等离子体枝节存在于开口处以及与开口相对的连接处，见图1~图4中，四个上表面开口谐振环为四边形，相邻两边互为90度，在其中一个边的中部设置开口，在开口所在的边上位于开口两侧设置等宽的
顶层开口谐振环的固态等离子体延伸枝节（3），上表面开口谐振环开口相对的连接处的顶层开口谐振环的固态等离子体连接枝节（4），且上表面开口谐振环其余连接部分即顶层开口谐振环的铜枝节（2）设置为金属枝节。
在本实施例中，十字形横切线（1）为铜材质，由两个长为154 μm，宽为5.5 μm，厚度为0.2 μm的长方体组成。
如图所示，聚酰亚胺介质板(5)上表面的单个开口谐振环的边长l 2=60 μm，环宽w 2=5 μm，厚度h 1=10 μm。利用固态等离子体作为连接部分和延伸枝节，连接部分长l 3=4 μm，延伸枝节长l 4=21 μm。所述十字形横切线（1）和开口谐振环的耦合距离w 3=14 μm。
聚酰亚胺介质板(5)下表面的四个开口环关于基板中心呈90°的旋转对称，单个开口环的边长为l 5=49.8 μm，环宽w 5=4.1 μm，厚度h 3=7 μm，利用固态等离子体作为连接部分，其长度为l 6=3.3 μm，相邻的开口环间距w 4=43.2 μm。
本发明中固态等离子体由PIN单元组成的阵列实现，PIN单元之间有隔离层进行隔离。通过对固态等离子体谐振单元两端加载偏置电压进行激励，未激励时固态等离子体谐振单元表现出介质特性，即为未激励状态；激励时表现为金属特性，即为激励状态。
本发明提供的一种基于等离子体超材料的电磁调制器可以实现电磁诱导透明有两个透射窗口，第一个透射窗口表现为窄带，第二个透射窗口表现为宽带；并且电磁诱导透明表现出良好的慢波特性，实现了对电磁波的传播速度的调制作用，在慢波器件领域有很好的应用前景。
实施例二、本发明一种基于等离子体超材料的多功能电磁调制方法，采用如上述实施例提供的基于等离子体超材料的电磁调制器（如图1~图4所示），当电磁波(电场沿y轴)垂直入射时，状态一：该电磁调制器表现为电磁诱导透明功能，控制顶层开口谐振环的固态等离子体连接枝节（4）和底层开口谐振环的固态等离子体连接枝节（6）被激励，顶层开口谐振环的固态等离子体延伸枝节（3）不被激励；状态二：该电磁调制器表现为隔离器功能，控制顶层开口谐振环的固态等离子体延伸枝节（3）被激励，控制顶层开口谐振环的固态等离子体连接枝节（4）和底层开口谐振环的固态等离子体连接枝节（6）不被激励。
通过激励不同区域的固态等离子体谐振单元，共可产生以下两种状态：工作在状态一时，其结构单元包括顶层的十字形横切线（1），聚酰亚胺介质板（5），顶层开口谐振环的铜枝节（2）、底层开口谐振环的铜枝节（7），被激励的顶层开口谐振环的固态等离子体连接枝节（4）和底层开口谐振环的固态等离子体连接枝节（6），未激励的顶层开口谐振环的固态等离子体延伸枝节（3）；工作在状态二时， 其结构单元包括顶层的十字形横切线1，聚酰亚胺介质板5，顶层开口谐振环的铜枝节（2）、底层开口谐振环的铜枝节（7），被激励的顶层开口谐振环的固态等离子体延伸枝节（3），未激励的顶层开口谐振环的固态等离子体连接枝节（4）和底层开口谐振环的固态等离子体连接枝节（6）。本发明通过选择性地激励由固态等离子体构成的连接枝节和延伸枝节，该电磁调制器可以实现电磁诱导透明和隔离器的相互切换，从而实现对电磁波传播速度和频率选择的调制。
固态等离子体谐振单元由PIN单元组成的阵列实现，选择Drude模型描述固态等离子体的介电常数，其中固态等离子体的等离子体频率设置为ω p=2.5×1014 rad/s，碰撞频率为ω c=1.65×1013 1/s。固态等离子体谐振单元3、4、6，分别通过外部激励源对其加载偏置电压进行激励，控制其激励状态，从而表现出介质或金属特性。
该电磁调制器的具体参数如表1所示。
表1 电磁调制器的具体参数
参数 <i>a</i> <i>l</i><sub>1</sub> <i>l</i><sub>2</sub> <i>l</i><sub>3</sub> <i>l</i><sub>4</sub>
值(μm) 176 154 60 4 21
参数 <i>l</i><sub>5</sub> <i>l</i><sub>6</sub> <i>w</i><sub>1</sub> <i>w</i><sub>2</sub> <i>w</i><sub>3</sub>
值(μm) 49.8 3.3 5.5 5 14
参数 <i>w</i><sub>4</sub> <i>w</i><sub>5</sub> <i>h</i><sub>1</sub> <i>h</i><sub>2</sub> <i>h</i><sub>3</sub>
值(μm) 43.2 4.1 10 5 7
图5为状态一电磁诱导透明时的传输曲线，可以看出该电磁诱导透明有两个透射窗口，第一个透射窗口表现为窄带，覆盖0.602-0.714 THz（17%），第二个透射窗口表现为宽带，覆盖0.714-0.879 THz（20.7%）。在第一个透射窗口中，透射峰处频点为0.645 THz，此时透射率为0.843；第二个透射窗口中，透射峰处频点为0.81 THz，透射率为0.935。
图6为该多功能电磁调制器状态一电磁诱导透明的传输相位图，从图中可以看出，在透射窗口内，尤其在透射峰处，电磁波传输相位发生陡峭的变化，突变的相位会产生大的群折射率，起到慢波的作用，从而实现对电磁波传播速度的调制作用。
根据图6中传输相位和频率的关系，我们通过公式计算，可以得到群折射率和频率的关系，从而绘制出电磁诱导透明的群折射率曲线，如图7所示。从图7中我们可以看出，在第一个透射窗口内，在0.633 THz处达到最大群折射率103.6，这表明当入射电磁波通过与所述电磁调制器厚度相同的空气时，通过所述电磁调制器的时间比通过相同厚度空气所花的时间多103.6倍，这表现出良好的慢波特性。在第二个透射窗口内，在0.756 THz处得到最大群折射率45.6，虽然最大群折射率不高，但可以实现在0.736-0.862 THz这一较宽频带内保持群折射率在40左右较小幅度变化，这对于慢波器件有一定应用价值。另外，通过计算，这两个透射窗口的带宽延时积为0.5和0.42，均保持了较大的值。综上，该电磁调制器状态一的电磁诱导透明表现出良好的慢波特性，实现了对电磁波的传播速度的调制作用，在慢波器件领域有很好的应用前景。
图8为状态二隔离器的传输曲线，从图中可以看出，在0.645 THz和0.81 THz处为透射谷，透射率均小于0.1，可以认为电磁波基本不能透过该隔离器，即为电磁波传输“关”的状态；在0.714 THz和0.879 THz处，透射率均大于0.9，可以认为电磁波基本都能透过该隔离器，即为电磁波传输“开”的状态。
结合图9状态一和状态二的传输曲线对比图，我们可以看出，在0.645 THz和0.81THz处，状态一为透射峰，状态二为透射谷，而在0.714 THz和0.879 THz处，状态一为透射谷，状态二为透射峰，实现了多个频点在透射峰和透射谷间的转换，从而实现了电磁波传输的“开/关”调制作用。
本电磁调制器可以实现两种状态下的透射峰和透射谷对应的频点相同，从而实现对特定频率电磁波的通断的精准控制，使得对电磁波的过滤筛选达到最优效果，以及获得最有的开关特性电磁调制器的开关特性可以实现对特定频率的电磁波的过滤筛选作用，广泛应用于雷达系统的隐身，降低天线系统对外界的电磁干扰，降低飞行器的雷达截面(RCS)等方面。
在经过特定设计后，本发明的功能可在电磁诱导透明和隔离器之间自由切换，其中电磁诱导透明的两个透射窗口均表现出良好的慢波特性，同时结合隔离器，我们能够实现多个频点在透射峰和透射谷间转换，从而能实现电磁波传输的“开/关”调制作用。本发明具有多功能、设计灵活，功能性强等特点，为多功能器件的设计与开发提供了新的思路。
通过外部的逻辑阵列编程控制固态等离子体构成的谐振单元的激励状态，本发明可以实现电磁诱导透明和隔离器这两种功能，通过控制不同区域的固态等离子体谐振枝节的激励状态，本发明的功能可在电磁诱导透明和隔离器之间自由切换，能够实现多个频点在透射峰和透射谷间转换，从而能实现开关特性良好的电磁波传输的 “开/关”调制作用。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种基于等离子体超材料的电磁调制器，其特征在于，包括：基板，所述基板上表面设置关于基板中心90度旋转对称的四个上表面开口谐振环，并且四个上表面开口谐振环之间还设置十字形的金属横切线，在所述基板的下表面与四个上表面开口谐振环相对应的位置设置关于中心90度旋转对称的四个下表面开口谐振环；
所述上表面开口谐振环和下表面开口谐振环的开口方向相差90度且均包括固态等离子体延伸枝节和金属枝节，所述下表面开口谐振环的固态等离子体枝节只存在于与开口相对的连接处，上表面开口谐振环的固态等离子体枝节存在于开口处以及与开口相对的连接处；
所述四个上表面开口谐振环为四边形，相邻两边互为90度，在其中一个边的中部设置开口，在开口所在的边上位于开口两侧设置等宽的固态等离子体延伸枝节，在与开口所在的边相对的边上与开口对应的位置设置与所述开口等宽的固态等离子体延伸枝节，且上表面开口谐振环其余连接部分设置为金属枝节；
所述四个下表面开口谐振环为四边形，相邻两边互为90度，其中一个边为开口，与开口相对的边的中部设置与上表面开口谐振环开口等宽的固态等离子体延伸枝节。
2.根据权利要求1所述的一种基于等离子体超材料的电磁调制器，其特征在于，所述十字形的金属横切线由两个长为154 μm，宽为5.5 μm，厚度为0.2 μm的长方体组成。
3.根据权利要求2所述的一种基于等离子体超材料的电磁调制器，其特征在于，所述十字形的金属横切线材料为铜。
4.根据权利要求1所述的一种基于等离子体超材料的电磁调制器，其特征在于，所述金属枝节为铜枝节。
5.根据权利要求1所述的一种基于等离子体超材料的电磁调制器，其特征在于，所述基板的材料为聚酰亚胺。
6.一种基于等离子体超材料的多功能电磁调制方法，其特征在于，采用如权利要求1~5任意一项权利要求所述的一种基于等离子体超材料的电磁调制器，所述电磁调制方法包括：
通过外部的逻辑阵列编程控制固态等离子体构成的谐振单元的激励状态，控制上表面开口谐振环开口相对的连接处的固态等离子体枝节和下表面开口谐振环与开口相对的连接处的固态等离子体枝节使其处于激励状态，上表面开口谐振环开口处的固态等离子体枝节处于未激励状态，所述电磁调制器实现电磁诱导透明功能；控制上表面开口谐振环开口处的固态等离子体枝节处于激励状态，上表面开口谐振环开口相对的连接处的固态等离子体枝节和下表面开口谐振环与开口相对的连接处的固态等离子体枝节使其处于未激励状态，所述电磁调制器实现隔离器功能。
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