CN113437527B - 一种基于四分之一圆柱结构的全介质可调谐电磁感应透明超材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于四分之一圆柱结构的全介质可调谐电磁感应透明超材料。利用不同模块微结构间的耦合效应，设计了一种超材料实现近红外波段电磁感应透明现象。所设计的超材料分为上下两层，下层为介质基底，上层的单元结构为四个四分之一圆柱，周期排列在介质基底上。本发明可以通过设计四分之一圆柱和介质基底的尺寸参数及材料使四分之一圆柱之间发生耦合，从而在近红外波段实现高品质因素、高透射率的电磁感应透明效应。电磁感应透明效应对于慢光器件、非线性器件、光学存储器件以及高灵敏度传感器具有重大意义。
Description
技术领域
本发明属于电磁调控领域，涉及一种基于四分之一圆柱结构的全介质可调谐电磁感应透明超材料，可以实现对近红外波段的电磁波进行高效、高性能及灵活的调控。
背景技术
超材料是指具有特殊超常物理性质的人造材料。由于超材料的性质并不取决于构成它的的本征材料，而是由其单元结构的形状和尺寸所决定的，因此通过巧妙的设计可以使超材料表现出本征材料所不具备的特性，例如负折射率、负介电常数等等，而具有这些性质的材料在自然界中不存在的，这大大拓展了电磁学，材料学，光学等领域的研究范围和应用空间。近年来随着微纳加工技术的成熟，出现了应用于近红外波段的超材料，但是对基于超材料的近红外波段电磁诱导透明器件的相关研究相对较少，并且此类器件的尺寸及调控能力也需要进行改进。
电磁感应透明（EIT）作为一种由量子干涉产生的现象，近年来一直是电磁领域的研究热点。其产生机理可以解释为在外部电磁场的激励下，三能级原子系统中发生了相消干涉，使电磁波能透过原本并不透明的介质。由于EIT现象在产生过程中会伴随强烈的色散并产生狭窄的透射峰，这使其在慢光效应、光学存储、非线性效应以及高灵敏度传感器等方面具有广阔的应用空间。
二氧化钒作为一种典型相变材料在电磁材料领域引起了广泛关注。在温度改变的情况下，二氧化钒的电导率会发生改变，从而完成绝缘态到金属态的转换。
近年来，科学家们经常使用金属等离子体超材料研究电磁感应透明现象，但是由于金属所固有的欧姆损耗会带来较大的非辐射损耗，所产生的EIT透射窗的品质因素和透射率往往不理想。后来发现使用高折射率、低损耗的全介质超材料实现电磁感应透明现象能够克服金属所带来的非辐射损耗，从而实现高品质因素和高透过的电磁感应透明窗。此外，通过引入二氧化钒等相变材料可以实现对器件的灵活调控。
发明内容
基于上述技术问题，本发明利用不同谐振器之间的耦合作用设计一种基于四分之一圆柱结构的全介质可调谐电磁感应透明超材料。通过改变该结构的尺寸和材料，可以对近红外波段的电磁波进行高效、高性能及灵活的调控。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：本发明提供一种基于四分之一圆柱结构的全介质可调谐电磁感应透明超材料，所设计的超结构分上下两层。下层为介质基底，上层的单元结构为四个四分之一圆柱，周期排列在介质基底上。本发明可以通过设计四分之一圆柱和介质基底的尺寸参数及材料使四分之一圆柱之间发生耦合，从而在近红外波段实现高品质因素、高透射率的电磁感应透明效应。在上述结构的基础上，通过改变四分之一圆柱和介质基底的尺寸参数及材料，可以实现对电磁感应透明光谱的调控。
优选地，所述基底的材料为石英玻璃或蓝宝石，或者用其他介电常数相近的材料代替。
优选地，所述基底的厚度为150-350nm。
优选地，所述上层的四个四分之一圆柱的材料为硅或者硅和二氧化钒的混用。
优选地，当上层的四个四分之一圆柱中材料为硅和二氧化钒混用，通过调节二氧化钒的电导率可以实现对电磁感应透明窗的调控。优选二氧化钒电导率的调节范围为30S/m-3000S/m。
优选地，所述上层的四个四分之一圆柱的半径为150nm-500nm。
优选地，所述上层的四个四分之一圆柱在空间分布上表现为这四个四分之一圆柱绕着一条直线呈顺时针圆周排列，四个四分之一圆柱的轴线与所述直线的距离相等，为30nm-150nm。相邻四分之一圆柱间的距离相等。
优选的，所述上层的四个四分之一圆柱的厚度相等，为150-280nm。
在上述方案的基础上，通过对尺寸的优化，材料的选择，实现一种具有高品质因素、高透射率的电磁感应透明窗。在此基础上可以通过调节材料或者尺寸参数实现对电磁感应透明窗的调控。并且当上层的一个或多个四分之一圆柱的材料为二氧化钒时，可以通过调节二氧化钒的电导率来增强器件的调控能力。
相较于其他相关器件，本发明所设计的器件能够产生高品质因素、高峰值透射率电磁感应透明窗，其色散效应也格外显著。因此，其可以用于实现更高品质的慢光器件、非线性器件、光学存储器件以及高灵敏度传感器。此外，用于构成器件的材料选择更为灵活，可以选择相变材料和普通材料，当上层四分之一圆柱中的一个或者多个选择为相变材料二氧化钒时，将使器件的调节能力更为灵活，集成度更高。综合以上优点，本发明对于近红外波段电磁调控领域的器件的开发具有重要参考价值和现实意义。
附图说明
图1为本发明实施例用于实现一种基于四分之一圆柱结构的全介质可调谐电磁感应透明超材料的一种实施方式的示意图；
图2为本发明实施例的实施方式的单元结构示意图；
图3为本发明实施例的实施方式的俯视图；
图4为本发明实施例的预设实施方式在1600nm-1700nm处的透射率曲线谱；
图5为本发明实施例的预设实施方式电磁感应透明窗的峰值透射率与偏振角度（初始偏振方向为y方向）的关系图；
图6为本发明实施例的预设实施方式改变周期P时的1600nm-1700nm处的透射率曲线谱；
图7为本发明实施例的预设实施方式改变第一个四分之一圆柱的半径r1时的1600nm-1700nm处的透射率曲线谱；
图8左为本发明实施例的预设实施方式的时延谱，图8右为根据图8左计算得到的群系数谱线；
图9为将2号和4号四分之一圆柱的材料改变为二氧化钒，并调控二氧化钒的电导率得到的1600nm-1700nm处的透射率曲线谱。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面结合附图对本发明进行进一步说明。注意，下面将具体描述的附图的具体数据及结果仅代表本发明的实施例，对于本领域的相关技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，可以依据这些附图获得其他未给出的结果，并获得其他的实施方式。
接下来以具体实施例结合附图对本发明作进一步说明：
本发明所设计的超结构分上下两层。下层为介质基底，上层的单元结构为四个四分之一圆柱，周期排列在介质基底上。所述上层的四个四分之一圆柱在空间分布上表现为这四个四分之一圆柱绕着一条直线呈顺时针圆周排列，四个四分之一圆柱的轴线与这条直线的距离相等，且相邻四个四分之一圆柱的距离相等。本发明可以通过设计四分之一圆柱和介质基底的尺寸参数及材料使四分之一圆柱之间发生耦合，从而在近红外波段实现高品质因素、高透射率的电磁感应透明效应。在上述结构的基础上，通过改变四分之一圆柱和介质基底的尺寸参数及材料，可以实现对电磁感应透明光谱的调控。当上层四分之一圆柱中的一个或者多个选择为相变材料二氧化钒时，调节二氧化钒的电导率能够调节电磁感应透明窗的峰值透射率，显然这将使器件的调节能力更为灵活，集成度更高。
图1为其中一种预设方案整体示意图，图2为该预设方案的单元结构示意图。单元结构在X方向和Y方向呈现周期性排列。
图3和图4中的1，2，3，4分别代表4个四分之一圆柱，5代表基底。
图2中的h表示基底的厚度，h1表示4个四分之一圆柱的厚度。
图3中的p表示单元结构在XY平面的沿x方向或y方向的周期。r1,r2,r3,r4分别代表四个不同四分之一的半径。d代表四个四分之一圆柱的轴线到单元结构中心线的距离。
本发明实施例通过电磁仿真软件CST进行设计优化，选取入射光的方向为z轴正方向，入射线偏振光的偏振方向为y方向。
本发明实施例通过电磁仿真软件CST得到的一种可行的具体实施方式为：h=200nm，h1=220nm,p=1470nm,d=70nm，r1=370nm,r2=320nm,r3=300nm,r4=320nm。基底材料选择介电常数为2.19的石英玻璃，四个四分之一圆柱的材料选择介电常数14的硅。使用CST软件仿真得到的1500nm-1600nm处的透射率曲线谱如图4所示。在1547nm处可以观察到一个明显的电磁感应透明窗，峰值透射率达到98.4%，品质因子高达1546。
图5是在上述具体实施方式的基础上，改变入射线偏振光的偏振方向（相对于初始偏振方向即y方向）所得到的1500nm-1600nm处的透射率曲线谱。可以发现在偏振角度从0到90度变化的过程中峰值透射率迅速变小，然后趋于0，可以利用这种变化趋势开发相关应用器件。
图6是在上述具体实施方式的基础上，改变单元结构的周期p得到的1500nm-1600nm处的透射率曲线谱。在p值变化的过程中峰值透射率和品质因素变化不大，但是整体的光谱在p变小时发生蓝移，在p变大时发生红移。改变h、h1能得到类似的结论。
图7为本发明实施例的预设实施方式改变第一个四分之一圆柱的半径r1时的1600nm-1700nm处的透射率曲线谱，可以发现当r1变大时，光谱发生红移，峰值透射率变大但品质因子变小。由于r1、r2，r3,r4,d的改变都将直接影响器件的耦合强度，因此改变r2，r3,r4,d能得到类似图7的结果，仿真的结果也证明了这一点。
上述参数在一定范围内变化时高品质的电磁感应透明窗仍能得以保持，这将大大增强器件的应用能力，减小器件的开发难度，因此本器件具有重要现实意义。
在上述具体实施方式的基础上，根据公式：
计算得到的1500nm-1600nm处的时延谱及群系数谱线如图8所示。在1547nm处的群时延为2.4ps，相应的群系数为3280，这表示器件能用于实现慢光效应。
接下来简要说明另一种可行的实施方式。结构2、4两个四分之一圆柱的材料为的二氧化钒，1、3两个四分之一圆柱的材料依然为硅（介电常数为14），基底的材料为蓝宝石（介电常数为3.13）。尺寸参数h=310nm，h1=220nm,p=1470nm,d=120nm，r1=370nm,r2=400nm,r3=370nm,r4=350nm。调节二氧化钒的介电常数可以得到如图9所示的结果，在其余参数不变的情况下，当电导率从30S/m变化至3000S/m时，二氧化钒表现出越来越强的金属性，峰值透射率将逐渐变小。显然，二氧化钒的引入将使器件的调节能力更为灵活，集成度更高。
上述实施例仅用于本发明的补充说明，而不是对本发明进行限制。任何在本发明权利要求的保护范围内对本发明所做出的修改，都将落入本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于四分之一圆柱结构的全介质可调谐电磁感应透明超材料，其特征在于，利用不同模块超材料间的耦合效应，设计了一种超材料实现近红外波段电磁感应透明现象，预设的超材料分为上下两层，下层为介质基底，上层的单元结构为四个四分之一圆柱，周期排列在介质基底上，通过设计四分之一圆柱和介质基底的尺寸参数及材料使四分之一圆柱之间发生耦合，从而在近红外波段实现高品质因素、高透射率的电磁感应透明效应，在上述结构的基础上，通过改变四分之一圆柱和介质基底的尺寸参数及材料，可以实现对电磁感应透明光谱的调控。
2.如权利要求1所述的一种基于四分之一圆柱结构的全介质可调谐电磁感应透明超材料，其特征在于，所述超材料具体为：下层为介质基底，放置在介质基底上的上层是呈周期排列的四个四分之一圆柱单元结构。
3.如权利要求1所述的一种基于四分之一圆柱结构的全介质可调谐电磁感应透明超材料，其特征在于，所述介质基底层的材料为石英玻璃或蓝宝石。
4.如权利要求1所述的一种基于四分之一圆柱结构的全介质可调谐电磁感应透明超材料，其特征在于，所述介质基底层的厚度为150nm-350nm。
5.如权利要求1所述的一种基于四分之一圆柱结构的全介质可调谐电磁感应透明超材料，其特征在于，所述上层的四分之一圆柱的材料为硅或者硅和二氧化钒的混用。
6.如权利要求1所述的一种基于四分之一圆柱结构的全介质可调谐电磁感应透明超材料，其特征在于，上层的四分之一圆柱中材料为硅和二氧化钒混用，所述二氧化钒电导率的调节范围为30S/m-3000S/m。
7.如权利要求1所述的一种基于四分之一圆柱结构的全介质可调谐电磁感应透明超材料，其特征在于，所述上层的四个四分之一圆柱的半径为150nm-500nm，在空间分布上表现为这四个四分之一圆柱绕着一条直线呈顺时针圆周排列，四个四分之一圆柱的轴线与所述直线的距离相等，为30nm-150nm，相邻四分之一圆柱间的距离相等。
8.如权利要求1所述的一种基于四分之一圆柱结构的全介质可调谐电磁感应透明超材料，其特征在于，四个四分之一圆柱的厚度相等，为150nm-280nm。
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