CN113422196B - 一种能够产生超窄带宽的太赫兹热辐射源及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种能够产生超窄带宽的太赫兹热辐射源及其工作方法，包括由下而上依次连接的：金属层、缓冲层和对称偏角的双椭圆柱阵列；所述对称偏角的双椭圆柱阵列由若干个周期性阵列布局的双椭圆柱组成；超窄带宽为带宽在10MHz数量级；其中，通过施加电流，对太赫兹热辐射源结构的金属层进行加热，金属层产生向上的太赫兹辐射；金属层所产生的太赫兹辐射穿过中间的缓冲层，传输给最上层对称偏角的双椭圆柱阵列，激发出准连续域束缚态模式；对称偏角的双椭圆柱阵列产生具有超窄带宽、高定向、线偏振特性以及连续波形式工作的太赫兹辐射。

Description

一种能够产生超窄带宽的太赫兹热辐射源及其工作方法
技术领域
本发明涉及太赫兹传感技术领域，特别是涉及一种能够产生超窄带宽的太赫兹热辐射源及其工作方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提到了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
近年来，太赫兹技术不断发展，太赫兹技术作为新兴科学技术中极为重要的前沿技术，其应用涉及到各个领域，例如:无线通信、生物医学诊断、军用雷达等。尽管在这些领域进行了大量的研究工作，但是太赫兹技术在许多应用上还远远不能令人满意。
这其中存在的主要问题仍然是满足一定特性的太赫兹辐射源的缺乏，这些特性包括:足够的功率和能量转换效率、易于制造并且具有经济可行性、脉冲波辐射能够覆盖大带宽范围或者连续波辐射具有高光谱可调谐性等。
而对于以连续波形式工作的太赫兹辐射源，还要求足够窄的输出带宽，这在很多应用场景中非常重要。很多物质可能会在太赫兹波段具有精细光谱结构，例如处于低压低浓度时的气态样品等，从而表现出非常尖锐的吸收共振。
在太赫兹传感中，只有窄带宽的太赫兹辐射才能保证目标物质的光谱信息可以被充分解析。到目前为止，科学家们已经使用了许多不同的方法来实现窄带连续波太赫兹辐射源，但是现有这些太赫兹源各自都存在着许多缺点，在具体应用中各有限制。
例如，自由电子激光器和气体激光器功耗高、尺寸大，光学混频器和超快光电二极管输出功率随着频率的增加大大降低，量子级联激光器必须在低温环境工作并且很难输出频率在2.0THz以下等等。此外，由于上述很多太赫兹源的制造是基于III-V族半导体材料，所以还需要复杂且昂贵的分子束外延等工艺。
产生电磁波的一种传统方法是黑体辐射，这也可以用来产生太赫兹波。但是黑体辐射的带宽太大，因此研究人员已经探索采用各种方案，包括表面等离子体天线、光子晶体、量子阱以及各种形式的超材料结构等，来实现带宽相对较窄的热辐射源。由于这些方案大多基于金属谐振结构，在谐振频率下的发射峰通常非常宽，品质因子通常在个位数到几十的数量级，不能满足许多太赫兹技术应用的需求。例如研究人员曾经报道过，基于超材料结构的太赫兹热辐射源在4至8THz范围的中心频率处具有大约为1THz的带宽。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种能够产生超窄带宽的太赫兹热辐射源及其工作方法；
第一方面，本发明提供了一种能够产生超窄带宽的太赫兹热辐射源；
一种能够产生超窄带宽的太赫兹热辐射源，包括由下而上依次连接的：金属层、缓冲层和具有对称偏角的双椭圆柱阵列；所述具有对称偏角的双椭圆柱阵列由周期性阵列布局的双椭圆柱组成；超窄带宽为带宽在10MHz数量级；
其中，通过施加电流，对太赫兹热辐射源结构的金属层进行加热，金属层产生向上的太赫兹辐射；金属层所产生的太赫兹辐射穿过中间的缓冲层，传输给最上层的具有对称偏角的双椭圆柱阵列，激发出准连续域中束缚态模式(Bound state in the continuum)的太赫兹辐射，并向外耦合到自由空间。
整个太赫兹热辐射源产生具有超窄带宽、高定向、线偏振特性以及连续波形式工作的太赫兹辐射。
第二方面，本发明提供了一种能够产生超窄带宽的太赫兹热辐射源的工作方法；
一种能够产生超窄带宽的太赫兹热辐射源的工作方法，包括：
通过施加电流，对太赫兹热辐射源结构的金属层进行加热，金属层产生向上的太赫兹辐射；
金属层所产生的太赫兹辐射穿过中间的缓冲层，传输给最上层具有对称偏角的双椭圆柱阵列，激发出准连续域束缚态模式的太赫兹辐射，并向外耦合到自由空间。
对称偏角的双椭圆柱阵列产生具有超窄带宽、高定向、线偏振特性以及连续波形式工作的太赫兹辐射。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、除了导电反射衬底外，全部基于介质材料，从而可以利用高折射率介质结构所支持的准连续域束缚态模式，实现前所未有的高品质因子和超窄带宽太赫兹辐射。本发明利用具有对称偏角的双椭圆柱阵列结构，以数值方式演示了垂直阵列表面出射时工作在1.2547THz的热辐射源，其输出带宽小于40MHz，品质因子高于3.8×104，并且辐射出线偏振平面波。
2、不同频率对应不同的输出角度。对于某一频率，随着输出角偏离中心角，发射率从中心角度时的峰值急剧下降到0，所以该发明能实现具有高度定向性的输出光束。对于特定结构，存在单一特征频率，其输出方向与结构表面垂直。这种高度定向性特性在太赫兹传感技术应用中，具有很大的实际意义。
3、本发明具有广阔的应用前景，超窄带宽和高定向的太赫兹热辐射源在实际应用中是必不可少的，特别是在实际太赫兹传感中，只有窄带宽的太赫兹辐射才能保证目标物质的光谱信息可以被充分解析。该特征极其重要，并且对于具有精细光谱结构的物质或者处于低压低浓度气态时的物质，表现出非常尖锐的吸收共振。此外，该技术可以推向更高的频率甚至中红外，从而为宽光谱范围内的高精度传感应用奠定基础。
4、本发明提供了一种基于连续域中束缚态原理实现超窄带宽和高定向太赫兹热辐射源的新技术，首次将连续域中束缚态原理应用到太赫兹热辐射源中，这是一种实现连续波太赫兹辐射源简单而有效的办法。通过设计具有对称偏角的双椭圆柱阵列结构，该结构可以支持具有超高品质因子的准连续域束缚态模式。同时具有接近于1的发射率，在谐振频率处带宽在10MHz数量级，这比基于金属超材料的热辐射源小4个数量级。这种新颖的太赫兹辐射源不仅具有良好的单色性，还具有高度的定向性，并且能够输出具有线偏振特性的太赫兹辐射。此外，这种结构只需要太赫兹波段折射率较高的介质材料(如硅)即可，并不需要三五族半导体，因此相比于传统的量子级联激光器等太赫兹辐射源在成本上有巨大优势。所有的这些优越特性使得此新颖太赫兹热辐射源在实际应用中大有前途。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本申请实施例一的方法流程图；
图2(a)为实施例一中超窄带宽太赫兹热辐射源的示意图，黑色箭头输出光束代表连续域中束缚态共振时的热辐射；
图2(b)是具有对称偏角的椭圆柱阵列单元的俯视图；
图2(c)是具有对称偏角的椭圆柱阵列单元的xz截面图；
图3(a)为实施例一中由具有对称偏角的双椭圆柱阵列支持的连续域束缚态模式的能带结构图，实线表示连续域束缚态模式，虚线表示光在自由空间的色散；
图3(b)为连续域束缚态模式的共振本征频率和相关品质因子分别关于横向波矢量的函数。其中实线代表共振本征频率，虚线代表品质因子；
图4(a)为实施例一中具有对称偏角的双椭圆柱阵列在x方向偏振且垂直阵列表面方向(沿z轴)上的的发射谱；
图4(b)为图4(a)中共振频谱位置附近的放大图；
图4(c)为具有对称偏角的双椭圆柱阵列共振时中心平面(即xy平面)的磁场振幅分布与电场矢量分布，其中灰暗程度代表磁场振幅分布，黑色箭头代表电场矢量分布；
图4(d)为共振频率下磁场振幅分布的xz剖面图。
图5(a)为1.2547THz、1.2466THz和1.1820THz三种不同频率下发射率沿着不同方向角时的极坐标图；
图5(b)为1.2547THz发射频率下发射率沿着不同出射角度变化的放大图；
图5(c)为不同输出角度(α＝0°，5°，10°和20°)的发射频谱图。
图6为实施例二中开槽微盘阵列结构图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
本实施例提供了一种能够产生超窄带宽的太赫兹热辐射源；
一种能够产生超窄带宽的太赫兹热辐射源，包括由下而上依次连接的：金属层、缓冲层和具有对称偏角的双椭圆柱阵列；所述具有对称偏角的双椭圆柱阵列由周期性阵列布局的双椭圆柱组成；超窄带宽为带宽在10MHz数量级；
其中，通过施加电流，对太赫兹热辐射源结构的金属层进行加热，金属层产生向上的太赫兹辐射；金属层所产生的太赫兹辐射穿过中间的缓冲层，传输给最上层具有对称偏角的双椭圆柱阵列，激发出准连续域束缚态模式的太赫兹辐射，并向外耦合到自由空间。
太赫兹热辐射源产生具有超窄带宽、高定向、线偏振特性以及连续波形式工作的太赫兹辐射。
进一步地，每个所述双椭圆柱沿同一方向具有对称偏角，每个所述椭圆柱为硅材质。
进一步地，每个椭圆柱沿同一方向的偏角为0.5°，每个椭圆柱为高阻硅材质。
进一步地，每个所述双椭圆柱内的两个椭圆柱的中心点之间的距离均为设定值，所有椭圆柱的形状相同且高度相同。
所述双椭圆柱结构的周期x方向以及y方向均为周期P＝160μm，椭圆柱长轴为A＝90μm，短轴为B＝50μm；x方向上双椭圆柱内两个椭圆柱的中心距离为80μm，椭圆柱的厚度为T＝40μm。
或者，所述阵列结构不是双椭圆柱结构而是开槽微盘结构，例如，所述开槽微盘的中心具有矩形空气槽，空气槽的中心并非位于微盘的中心，而是位于微盘中心的一侧，厚度与微盘厚度一致。
进一步地，所述缓冲层，厚度为20μm，在太赫兹频率范围内缓冲层的折射率定为1.5。
进一步地，所述金属层，为铜材质，在太赫兹频率范围内金属层的厚度不小于1μm，从而不透过任何太赫兹波。
双椭圆柱在同一方向上具有对称的偏角，构造x方向对称性破坏的高折射率硅双椭圆柱阵列结构，使连续域中束缚态变成准连续域束缚态模式(当结构处于完全对称的时候，系统处于连续域束缚态模式，该模式是一种无辐射的体态，具有无限寿命的品质因子；当破坏结构的对称性后，可以轻松地被线性偏振的平面波激发，在结构内部具有非常大的场增强并且具有较长寿命的激发态，通常称之为准连续域束缚态模式)。
基于有限元方法仿真计算线偏振平面波激发准连续域束缚态模式的发射谱，获得其太赫兹频率范围内具有高品质因子的谐振模式，来验证该结构的超窄带宽性能；
通过电流加热等方法来加热金属层，从而提高结构温度，验证其具有与吸收率相同电磁特性的热辐射性能；
基于有限元方法仿真计算不同频率在不同出射角下的发射谱，检测太赫兹热辐射源的高度定向性能。由于同一个结构对应的输出角不同时，发射谱对应的输出频率位置也不同。当我们固定输出频率位置时，来验证不同方向角度的改变对发射谱的影响，如图5(b)所示。
本发明首次将连续域中束缚态原理应用到辐射源中，通过双椭圆柱引入对称偏角打破了结构的对称性，得到准连续域束缚态模式，并且能够被简单的x或y方向线偏振平面波轻松激发。
太赫兹热辐射源还包括折射率小于2的低折射率(例如聚合物等)缓冲层以及金属层，所述缓冲层位于椭圆柱与金属层之间，金属层需要足够厚，太赫兹频率范围我们将金属层设置为1μm以上，使得整个结构没有透射。
太赫兹热辐射源产生的谐振带宽在10MHz数量级，品质因子不低于104数量级，且该谐振的品质因子可以通过调整偏角的大小来进一步改善。
当加热太赫兹热辐射源结构时，会在不同频率处发出辐射，每个频率的发射谱沿不同的输出角度分布，并且在较大的输出角度处，发射率也会降低。不同频率对应不同的输出角度，对于某一频率，随着输出角偏离中心角，发射率从中心角度时的峰值急剧下降到0，从而说明该发明能够实现具有高度定向性的输出光束。
当双椭圆柱结构变为开槽微盘结构或条形结构时，或者将Si(硅)材质的双椭圆柱改为其他高折射率半导体材料时，同样支持连续域束缚态模式实现窄带连续波太赫兹源。
本发明提出了一种新颖超窄带宽和高定向输出的太赫兹热辐射源，该方法是通过高折射率电介质作为最上层具有对称偏角的双椭圆柱阵列，并且其原理与金属超材料不同，该发明是基于连续域中束缚态原理来实现太赫兹热辐射源。连续域中束缚态的概念最早出现在量子力学中，最近几年才被引入光子学。与连续域中束缚态共振相关的结构通常支持两个泄漏共振，可以适当的通过结构设计来控制它们与外部环境的耦合，使两个耦合效率振幅相同相位相反。因为两个耦合之间存在相消干涉，通向外部的总泄漏通道被关闭，从而产生接近于无穷大的品质因子。基于这一重要特性，可以有效避免基于金属超材料的热辐射源存在大带宽的问题。
本发明所用的具有对称偏角的双椭圆柱阵列使用硅材料作为高折射率电介质，并且对称偏角的双椭圆柱阵列支持连续域束缚态模式共振，双椭圆柱与金属层由较低折射率的缓冲层隔开。双椭圆柱沿同一方向引入对称偏角来破坏结构的对称性，从而使连续域中束缚态变为准连续域束缚态模式，该模式很容易被线偏振的平面波激发。根据基尔霍夫热辐射定律，当同一结构加热到高温时，将发射具有与吸收率相同电磁特性的热辐射。由于准连续域束缚态模式具有高品质因子的特征，可以实现太赫兹波段的超窄带宽热辐射，来作为一种窄带连续波太赫兹辐射源。该辐射源谐振带宽仅仅在10MHz的数量级。尽管有研究者已经尝试了类似的支持Mie共振的全介质热辐射源来发出窄带辐射，但本发明设计的结构基于连续域中束缚态原理将谐振进一步压缩了两个数量级。此外，由于对称偏角的存在，太赫兹热辐射源所发射的辐射还具有线偏振特性和高方向性输出的优点，从而使该热辐射源成为许多应用中优异的太赫兹源。
本发明创新点之一在于首次将连续域中束缚态原理应用到太赫兹辐射源中。利用支持该原理的具有对称偏角的双椭圆柱阵列结构和加热金属层产生线偏振特性的太赫兹辐射。与这种结构相关联的谐振具有非常高的品质因子，帮助实现超窄输出带宽的热辐射。该结构还具有高度定向输出的优点，同时还可以利用空间频率滤波器提取不同频率太赫兹辐射。在此，可以通过改变双椭圆柱阵列的几何形状来调整它的谐振，例如改变双椭圆柱阵列的对称偏角、长轴尺寸、短轴尺寸、高度、周期以及双椭圆柱中心距离等，调整后，可以在太赫兹波段不同位置处实现连续波形式的辐射。在不同的频率下，发射率有时可能达不到接近于单位1，但可以通过增大或者减小缓冲层的厚度，将发射率进行调节优化，从而避免了半导体太赫兹源输出频率增加时功率大幅度衰减的问题。
双椭圆阵列结构采用高阻硅作为具体实施例，高阻硅在太赫兹范围内具有较高的折射率，并且对太赫兹波几乎没有吸收。
构造所述具有对称偏角的双椭圆柱阵列结构，如图2(a)～图2(c)所示，最底部黑色区域代表底部金属层，金属层由铜制成(电导率为5.8×107S/m)，该金属层需要足够厚，使得整个结构没有透射。如图2(a)所示，通过电流加热等方法来加热金属层，从而加热结构产生向上的太赫兹辐射。沿x和y两个方向具有相同周期性P＝160μm的硅(折射率假定为3.418)双椭圆柱阵列与金属层之间由折射率小于2的低折射率聚合物缓冲层分开。缓冲层的厚度h＝20μm，在太赫兹频率范围内缓冲层的折射率定为1.5。该聚合缓冲层仅作为支撑硅盘的基底，并且可以使用键合工艺和硅结合在一起。
如图所示，椭圆柱的长轴A＝90μm，短轴B＝50μm,厚度T＝40μm，对称偏角的椭圆柱之间的距离为80μm,沿同一方向的对称偏角θ＝0.5°，这些几何参数在此专利中均假定为常数。对称偏角的存在使得准连续域束缚态模式容易被加热金属层辐射出的线偏振平面波激发。
基于有限元方法仿真计算具有对称偏角的双椭圆柱阵列结构所支持共振的色散特性。图3(a)中实线为具有对称偏角的双椭圆柱阵列支持的连续域束缚态模式的能带结构，虚线表示光在自由空间中的色散曲线。光线上方的区域是所谓的连续域，由具有对称偏角的双椭圆柱阵列支持的共振落入该区域，这是连续域中束缚态共振的标志。如图3(b)所示，实线与虚线代表着本征频率和相关的品质因子分别与横向波矢量的函数关系，并且都会受到横向波矢量的轻微影响。
随着横向ΓX或ΓM方向波矢量的增加，频率随着品质因子的下降而降低，但是仍然保持在104数量级。在横向波矢量为零时，可以实现品质因子高于3.8×104。这些值明显高于传统金属热辐射源或全介质热辐射源所能达到的值。通常可以通过调整整个系统的不对称程度，即通过调整对称偏角的大小来控制由该结构支持的品质因子。
例如，当偏角θ从0.5°减小到0.1°时，在横向波矢量为0处计算出的品质因子从3.8×104增加到8.0×104。对于该结构，共振频率与横向波矢量的函数关系意味着在该太赫兹热辐射源工作的情况下，当输出角度发生变化时，准连续域束缚态模式共振频率将发生偏移。相应地，对于不同的频率，辐射将沿着不同的输出角度分布。
对于该结构的发射特性，根据基尔霍夫热辐射定率，任何物体在热力学平衡条件下发射和吸收热辐射时，发射率均等于吸收率。因此发射率E(ω)的特性可以由吸收率A(ω)＝1-T(ω)-R(ω)进行描述。其中T(ω)和R(ω)分别是整个结构的透射率和反射率。由于基底足够厚并且不透明，所以透射率始终为零。因此吸收率和发射率可以简单的表示为E(ω)＝A(ω)＝1-R(ω)。
图4(a)显示了具有上述几何参量具有对称偏角的双椭圆柱阵列结构的发射率。由x方向偏振的平面波对对称偏角的双椭圆柱阵列结构进行激发，在1-1.5THz频率范围内只有一条发射谱，并且发射率为1.0。图4(b)为靠近谐振位置的放大图，可以看出，在1.2547THz的谐振频率下，发射谱的带宽小于40MHz，这两个值对应的品质因子为3.8×104，与图5(b)中给出的结果一致。与基于超材料的太赫兹热辐射源相比，带宽缩小了4个数量级。图4(c)是具有对称偏角的双椭圆柱阵列共振时中心平面(即xy平面)的磁场振幅分布与电场矢量分布，结果与该结构支持的准连续域束缚态模式几乎相同。图4(d)表明准连续域束缚态模式的磁场分布确实集中在顶部的硅层中。
由于出射平面波与连续域束缚态模式之间不存在场的叠加，没有偏角的椭圆柱阵列所支持的连续域束缚态模式无法被平面波激发。但是当沿同一方向引入对称性偏角时，能够被加热金属辐射出的线偏振平面波激发出准连续域束缚态模式。因此本发明认为环形分布的位移电流将首先在硅层双椭圆柱阵列内部产生。位移电流将通过双椭圆柱之间的间隙进一步耦合到真空中，作为向上传播的平面波。随着温度的升高，这两个过程的强度都将变得更强。除了热辐射源的超窄带宽和简单的线偏振特性外，太赫兹源另一个重要的特性是输出光束的高度定向性。本发明计算了太赫兹热辐射源关于1.2547THz、1.2466THz和1.1820THz三种不同频率在不同出射角度下的发射谱，计算出的发射率如图5(a)所示。为了清楚地了解发射率与输出角度的关系，在图5(b)中针对1.2547THz频率在较小角度范围内绘制了放大图。可以清楚地看到，对于该频率，当输出角偏离中心角1度时，发射率从中心角度的峰值急剧下降到0，表明该发明能够实现具有高度定向的输出光束。本发明还计算了三维空间中发射率与输出角度的关系，结果表明，无论输出角度是沿x方向还是沿y方向，在1.2547THz处输出的太赫兹辐射几乎垂直于热辐射源的上表面。该特性与图3(a)中给出的结果一致，即本征频率对沿ΓX或ΓM方向的波矢依赖性很小。对于不同于1.2547THz的其他频率，可以在图5(a)中看到发射沿着与阵列表面垂直方向(z轴)对称的两个方向。实际上，在三维空间中，发射谱的形状是圆锥形，随着频率进一步偏离1.2547THz的位置，锥角增加，发射率也略有下降。在图5(c)中，本发明绘制了所提出的太赫兹热辐射源的发射谱，可以看到，对于特定的发射方向存在特定的发射频率，例如5度时为1.2466THz，20度时为1.1820THz。图5(a)和图5(c)中的结果表明，当加热太赫兹热辐射源工作时，它实际上会发出不同频率的辐射，每个频率沿不同的输出角度分布，并且在较大的输出角度处，发射率也几乎为1。对于固定几何形状的结构，存在一个特征频率(此处为1.2547THz)，在该频率下的发射谱垂直于结构表面。主要利用该频率下的辐射直接获得高度准直的太赫兹光束。然而，也可以利用空间频率滤波器来提取不同频率太赫兹信号。
当具有对称偏角的双椭圆柱结构变为开槽微盘阵列结构时，如图6所示，其在太赫兹波段同样支持与对称偏角双椭圆柱结构类似的高品质因子谐振。由于微盘中心一侧引入空气槽打破了结构的对称性，准连续域束缚态模式也可以轻松被线性偏振的平面波激发出来。由于本专利主要是基于连续域中束缚态原理实现窄带太赫兹辐射源，所以其中支持的连续域中束缚态的结构包括但不限于对称偏角的双椭圆柱结构、开槽微盘结构等。其他基于连续域中束缚态原理的辐射源结构同样在该专利保护的范围内。
当椭圆柱材料为InGaAs(铟镓砷)、Ge(锗)等高折射率介质材料时，其在太赫兹波段同样支持高品质因子谐振。所以基于连续域中束缚态原理的窄带连续波太赫兹辐射源，其中支持连续域中束缚态的材料包括但不限于Si(硅)、InGaAs(铟镓砷)、Ge(锗)等。
基于连续域中束缚态原理的窄带连续波辐射源，其中光谱范围包括但不限于太赫兹波段，该技术可以推向更高的频率甚至中红外，从而为宽光谱范围内的高精度传感应用奠定基础。
本发明提供了一种基于连续域中束缚态原理实现超窄带宽和高定向太赫兹热辐射源的新技术，通过设计具有对称偏角的双椭圆柱阵列结构，支持的准连续域束缚态模式具有高于3.8×104品质因子的谐振，谐振的带宽小于40MHz，比基于金属超材料的热辐射源小4个数量级。该谐振的品质因子可以通过调整对称偏角的大小来进一步改善。通过电流加热等方法加热金属层，从而加热辐射源结构，会发出不同频率的辐射，不同频率对应不同的输出角度。对于某一频率，随着输出角偏离中心角，发射率从中心角度时的峰值急剧下降到0，所以该发明能够实现具有高度定向的输出光束。对于特定结构，存在单一特征频率，其输出方向与结构表面垂直。这些优越的特性使得此新颖的太赫兹热辐射源在实际应用中大有前途。
实施例二
本实施例提供了一种能够产生超窄带宽的太赫兹热辐射源的工作方法；
如图1所示，一种能够产生超窄带宽的太赫兹热辐射源的工作方法，包括：
通过施加电流，对太赫兹热辐射源结构的金属层进行加热，金属层产生向上的太赫兹辐射；
金属层所产生的太赫兹辐射穿过中间的缓冲层，传输给最上层具有对称偏角的椭圆柱阵列，激发出准连续域束缚态模式的太赫兹辐射，并向外耦合到自由空间。
对称偏角的椭圆柱阵列产生具有超窄带宽、高定向、线偏振特性以及连续波形式工作的太赫兹辐射。
每个所述双椭圆柱内的两个椭圆柱的中心点之间的距离均为设定值，所有椭圆柱的形状相同且高度相同。
每个所述双椭圆柱沿同一方向具有对称偏角，每个所述椭圆柱为硅材质。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种能够产生超窄带宽的太赫兹热辐射源，其特征是，包括由下而上依次连接的：金属层、缓冲层和具有对称偏角的双椭圆柱阵列；所述具有对称偏角的双椭圆柱阵列由周期性阵列布局的双椭圆柱组成；超窄带宽为带宽在10MHz数量级；
其中，通过施加电流，对太赫兹热辐射源结构的金属层进行加热，金属层产生向上的太赫兹辐射；金属层所产生的太赫兹辐射穿过中间的缓冲层，传输给最上层具有对称偏角的双椭圆柱阵列，激发出准连续域束缚态模式的太赫兹辐射，并向外耦合到自由空间；
缓冲层为折射率小于2的低折射率聚合物缓冲层；
每个所述双椭圆柱沿同一方向具有对称偏角，每个所述椭圆柱为硅材质。
2.如权利要求1所述的一种能够产生超窄带宽的太赫兹热辐射源，其特征是，每个所述双椭圆柱内的两个椭圆柱的中心点之间的距离均为设定值，所有椭圆柱的形状相同且高度相同。
3.如权利要求1所述的一种能够产生超窄带宽的太赫兹热辐射源，其特征是，每个椭圆柱沿同一方向的偏角为0.5°，每个椭圆柱为高阻硅材质。
4.如权利要求2所述的一种能够产生超窄带宽的太赫兹热辐射源，其特征是，所述双椭圆柱结构的周期x方向以及y方向均为周期P＝160μm，椭圆柱长轴为A＝90μm，短轴为B＝50μm；x方向上双椭圆柱内两个椭圆柱的中心距离为80μm，椭圆柱的厚度为T＝40μm。
5.如权利要求1所述的一种能够产生超窄带宽的太赫兹热辐射源，其特征是，所述缓冲层，厚度为20μm，在太赫兹频率范围内缓冲层的折射率定为1.5。
6.如权利要求1所述的一种能够产生超窄带宽的太赫兹热辐射源，其特征是，所述金属层，为铜材质，在太赫兹频率范围内金属层的厚度大于等于1μm。
7.如权利要求1-6所述的一种能够产生超窄带宽的太赫兹热辐射源的工作方法，其特征是，包括：
通过施加电流，对太赫兹热辐射源结构的金属层进行加热，金属层产生向上的太赫兹辐射；
金属层所产生的太赫兹辐射穿过中间的缓冲层，传输给最上层具有对称偏角的双椭圆柱阵列，激发出准连续域束缚态模式的太赫兹辐射，并向外耦合到自由空间。
8.如权利要求7所述的一种能够产生超窄带宽的太赫兹热辐射源的工作方法，其特征是，每个所述双椭圆柱内的两个椭圆柱的中心点之间的距离均为设定值，所有椭圆柱的形状相同且高度相同。
9.如权利要求7所述的一种能够产生超窄带宽的太赫兹热辐射源的工作方法，其特征是，每个所述双椭圆柱沿同一方向具有对称偏角，每个所述椭圆柱为硅材质。
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