CN115000724A - 一种基于二氧化钒的可调谐超宽带太赫兹吸收器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于二氧化钒的可调谐超宽带太赫兹吸收器，包括由介质层、金属反射层和贴片层组成的单元结构；所述介质层的水平方向截面为正方形，所述介质层的底面设置金属反射层，介质层的表面设置材质为二氧化钒的贴片层；所述的贴片层由四个相同的合成图案组成；四个所述合成图案分别位于介质层表面的四角，且两两对称；所述合成图案由一个十字贴片和四个相同且两两对称的箭头贴片构成；四个所述箭头贴片的箭头角度均为90°，且分别与介质层表面的四角平行；所述十字贴片位于四个所述箭头贴片的中部，且十字贴片的边分别指向箭头贴片的箭头。本发明易于加工和制造，具有偏振不敏感和广角吸收等显著优点，在吸收带宽方面得到明显提高。

Description

一种基于二氧化钒的可调谐超宽带太赫兹吸收器
技术领域
本发明涉及微波吸收器技术领域，具体为一种基于二氧化钒的可调谐超宽带太赫兹吸收器。
背景技术
超材料是一种由周期性亚波长金属或介质按照一定规律排列组成的新型人工合成材料。由于其具备非凡的电磁响应特性，并能在特定频段内与电磁波产生共振效应。因此，在最近几年，超材料在隐形设备、传感器、通信和成像等方面得到广泛应用。众所周知，在过去几十年里，太赫兹波在无线通信、传感器和成像等领域具有广阔的应用前景，因而吸引了众多工作者的研究兴趣。然而，由于大多数的天然材料与太赫兹波只有微弱的电磁响应，出现了所谓的“太赫兹间隙”，也限制了太赫兹技术的进一步发展。自从超材料出现之后，基于超材料的太赫兹器件，例如吸收器、滤波器和调制器等功能器件相继被提出。其中，太赫兹吸收器已经成为近年来的研究热点，并在热发射器、探测器和太阳能吸收器等方面取得重大进展。Landy et al.在期刊《Physical review letters》（ISSN:20-23）发表的题目为《Perfect metamaterial absorber 》中第一个提出了一种完美的超材料吸收器，在窄频率下分别与电场和磁场耦合，通过独立操纵电共振和磁共振来吸收所有入射光。从那时起，工作在可见光、太赫兹和微波频率的超材料吸收器得到了广泛的研究，人们后继也设计了很多窄带、宽带和窄宽带相互切换的吸收器。随着超材料吸收器的研究成果不断蓬勃壮大，但也面临着固定的工作频率和较窄的工作带宽带来的困扰。虽然人们采用了堆叠多层结构或在同一平面使用多个尺寸的谐振结构来增大带宽，但也带来了结构复杂、制备困难的问题。于是寻找具有可调谐特性或宽带吸收的超材料吸收器成为了申请人亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于二氧化钒的可调谐超宽带太赫兹吸收器。本发明易于加工和制造，在吸收带宽方面得到明显提高。同时，本发明还具有偏振不敏感和广角吸收等显著优点。
本发明的技术方案：一种基于二氧化钒的可调谐超宽带太赫兹吸收器，包括由介质层、金属反射层和贴片层组成的单元结构；所述介质层的水平方向截面为正方形，所述介质层的底面设置金属反射层，介质层的表面设置材质为二氧化钒的贴片层；所述的贴片层由四个相同的合成图案组成；四个所述合成图案分别位于介质层表面的四角，且两两对称；所述合成图案由一个十字贴片和四个相同且两两对称的箭头贴片构成；四个所述箭头贴片的箭头角度均为90°，且分别与介质层表面的四角平行；所述十字贴片位于四个所述箭头贴片围合形成区域的中部，且十字贴片的边分别指向箭头贴片的箭头。
上述的基于二氧化钒的可调谐超宽带太赫兹吸收器，所述金属反射层的材质为金。
前述的基于二氧化钒的可调谐超宽带太赫兹吸收器，所述介质层的材质为二氧化硅，介质层的介电常数为3.8。
前述的基于二氧化钒的可调谐超宽带太赫兹吸收器，所述金属反射层的厚度为1um；所述介质层的厚度为4um；所述贴片层的厚度为0.27um，所述单元结构的周期为49.5um。
前述的基于二氧化钒的可调谐超宽带太赫兹吸收器，所述合成图案的周期为20um，相邻合成图案之间的边间距为4um；所述箭头贴片的边宽为1.95um，相邻箭头贴片之间边间距为4.4um；所述箭头贴片与十字贴片的边间距为2.1um；所述十字贴片的长度为5.6um。
与现有技术相比，本发明从上到下分别由四个相同的合成图案、介质层和金属反射层组成，经过模拟结果显示，当贴片层（二氧化钒）处于绝缘态时，本发明的太赫兹吸收器基本上实现全反射。当二氧化钒处于金属态时，在电磁波的垂直入射下，本发明的太赫兹吸收器在5.36THz-13.06THz频率范围内，吸收率超过90%的吸收带宽可达7.7THz。其中，太赫兹吸收器在7.86THz、9.89THz、11.69THz和12.58THz频率处的吸收率均在96%以上。通过调节二氧化钒的电导率，该吸收器实现了近乎完美的幅度调制，吸收率从4.31%动态调谐到100%。本发明的太赫兹吸收器在吸收宽带方面得到了显著的提高，并且还具有结构简单、偏振不敏感和广角吸收等诸多优点。本发明的设计的太赫兹吸收器在光化学能量吸收、热发射器和隐身等前沿领域具有巨大的发展前景。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的主视结构示意图；
图3是本发明在二氧化钒处于金属态时的透射、反射和吸收光谱；
图4是本发明在不同偏振角下的吸收光谱图；
图5是本发明在TE极化波的垂直入射下随电导率变化的吸收光谱以及二氧化钒在相变过程中电导率随温度变化曲线；
图6是二氧化钒电导率变化的介电常数实部曲线；
图7是二氧化钒电导率变化的介电常数虚部曲线；
图8是当二氧化钒处于金属态时，吸收器相对阻抗实部和虚部的变化曲线；
图9是无合成图案吸收器(由金和二氧化硅构成)的吸收光谱；
图10是两个合成图案的吸收器的吸收光谱；
图11是本发明的吸收光谱；
图12是当二氧化钒是金属态时，分别提取吸收器在(a)f1=7.86THz，(b) f2=9.89THz，(c)f3=11.69THz ，(d) f4=12.58THz下沿着xy横截面上的归一化电场分布。(e)-(h)是吸收器在四个共振频率下的电场分布z分量的归一化实部。(i)-(l)是吸收器在四个共振频率下的xz横截面上的归一化电场分布。
图13是当二氧化钒为绝缘态时，介质层厚度h1从2um变化到6um时得到的吸收光谱图；
图14是在工作频段内随合成图案高度h2变化得到的吸收光谱；
图15是TE偏振下，二氧化钒为金属态时，吸收光谱随入射角变化得到的曲线图；
图16是TM偏振下，二氧化钒为金属态时，吸收光谱随入射角变化得到的曲线图；
图17是吸收器在工作频段内MD随频率变化得到的曲线图；
图18是吸收器在工作频段内ER随频率变化得到的曲线图。
附图标记
1、介质层；2、金属反射层；3、贴片层；4、合成图案；5、十字贴片；6、箭头贴片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例：一种基于二氧化钒的可调谐超宽带太赫兹吸收器，包括由介质层1、金属反射层2和贴片层3组成的单元结构，单元结构的周期P=49.5um；所述介质层的水平方向截面为正方形，介质层的材质为二氧化硅，介质层的介电常数为3.8，介质层的厚度h1=4um，在太赫兹范围内可以看作是无损耗的电介质，所述介质层的底面设置金属反射层，所述金属反射层的材质为金，厚度为1um，其厚度远大于趋肤深度以确保太赫兹波不会透射传输，介质层的表面设置材质为二氧化钒的贴片层，所述贴片层的厚度为0.27um；所述的贴片层由四个相同的合成图案4组成；四个所述合成图案分别位于介质层表面的四角，且两两对称；所述合成图案由一个十字贴片5和四个相同且两两对称的箭头贴片6构成；四个所述箭头贴片的箭头角度均为90°，且分别与介质层表面的四角平行；所述十字贴片位于四个所述箭头贴片围合形成区域的中部，且十字贴片的边分别指向箭头贴片的箭头。所述合成图案的周期为P1=20um，相邻合成图案之间的边间距为d=4um；所述箭头贴片的边宽为W1=1.95um，相邻箭头贴片之间边间距为W2=4.4um；所述箭头贴片与十字贴片的边间距为W3=2.1um；所述十字贴片的长度为L1=5.6um。
在太赫兹波段，常用Drude模型描述二氧化钒的光学特性，如方程(1)所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；（1）
Figure 629910DEST_PATH_IMAGE002
；（2）
在这里，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
是在无限频率下的介电常数,
Figure 360099DEST_PATH_IMAGE004
是碰撞频 率,
Figure DEST_PATH_IMAGE005
是与电导率有关的等离子体频率,见公式（2）。等离子体频率的初始值是
Figure 202154DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
。
设定二氧化钒处在绝缘态和金属态的电导率分别是
Figure 908947DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure DEST_PATH_IMAGE009
。在有限元法（FEM）的基础上，为了研究吸收器的吸收光谱和验证其吸收 性能，采用CST Microwave Studio里的频域分析进行仿真。根据多重反射和干扰理论，吸收 率的表达式可以计算为
Figure DEST_PATH_IMAGE011
。其中，
Figure 254478DEST_PATH_IMAGE012
是反射率，
Figure 421148DEST_PATH_IMAGE014
是透射率。
Figure DEST_PATH_IMAGE015
和
Figure 750498DEST_PATH_IMAGE016
可以从CST里的S-parameters获得。本发明的太 赫兹吸收器（简称吸收器）底部金属反射层足以保证传输系数接近0，即
Figure DEST_PATH_IMAGE017
。因此， 吸收器可以简化为
Figure DEST_PATH_IMAGE019
。
图3展示了本发明所提出的超宽带太赫兹吸收器在0.1-15THz频率范围内的透射、反 射和吸收光谱。当贴片层（也即二氧化钒）处于金属态时(对应的电导率为
Figure 729825DEST_PATH_IMAGE020
)， 对于垂直入射的横向电场极化 (TE)和横向磁场极化 (TM)，吸收器的吸收曲线几乎吻合。 这从侧面反映了设计的吸收器是偏振不敏感的，主要归因于贴片层的合成图案满足旋转对 称性。模拟结果表明，吸收率大于0.9的吸收频率是从5.36 THz到13.06 THz，实现的带宽为 7.7THz。吸收光谱出现四个完美吸收峰，对应的共振频率分别为f1=7.86THz，f2=9.89THz，f3 =11.69THz和f4=12.58THz，吸收率分别为99.9%，99.9%，98.4%和96%。从图3中可以看出，吸 收率在90%以上中心频率为fc=9.21THz。由于底层金属反射层的厚度远大于阻止入射平面 波传输的皮肤深度，故透射率为零。如图4所示，申请人模拟了不同偏振角的吸收光谱。TE极 化波和TM极化波的吸收效率完全一致，入射光不会随偏振角的增加而变化，因此，本发明所 提出的超宽带太赫兹吸收器满足具有偏振无关特性的要求。
图5展示了通过温度控制二氧化钒电导率的变化以及在相变过程中随电导率变化 获得的吸收光谱图。当二氧化钒电导率是
Figure DEST_PATH_IMAGE021
时，吸收器会产生一个幅度较小的吸收 峰，最高幅值大约为4.31%。当二氧化钒的电导率从不断增加到
Figure 461020DEST_PATH_IMAGE022
时，吸收 器的吸收率可以从4.31%逐步调节到100%。可见，可以通过调节温度(加热和冷却过程)诱导 二氧化钒产生绝缘体-金属转变（IMT）行为。由于晶体结构的转变引发二氧化钒具有不同的 电磁特性，即二氧化钒的电导率产生几个数量级的变化，故而能实现吸收率的连续可调。图 6和图7展示了不同电导率下二氧化钒的介电常数的实部和虚部变化曲线。从图中可以看 出，电导率的虚部比实部变化更明显，主要原因如下。第一，介电常数的实部主要由谐振频 率决定，虚部与介质损耗有关。由于介电常数的虚部与电导率成比例，虚部值会随着电导率 增加相应的增大。第二，吸收峰的中心位置几乎保持不变，主要原因是取决于电介质层的厚 度。根据干扰消除理论，电介质间隔层的厚度
Figure DEST_PATH_IMAGE023
(
Figure 267433DEST_PATH_IMAGE024
是自由空间的共振波长，
Figure DEST_PATH_IMAGE025
和
Figure 84080DEST_PATH_IMAGE026
分别是SiO2的折射率和介电常数)。在这里，自由空间的共振波长
Figure DEST_PATH_IMAGE027
,对应的 介质层厚度d=4.18um。在数值模拟条件下，设置的中间介质隔层的实际厚度h1=4um，与理论 计算结果相差较小，较符合干涉消除条件。
当太赫兹波垂直入射时，根据吸收器与自由空间之间的相对阻抗定义:
Figure 126817DEST_PATH_IMAGE028
；（3）
Figure DEST_PATH_IMAGE029
；（4）
其中，
Figure 712519DEST_PATH_IMAGE030
是吸收器的有效阻抗，
Figure 486571DEST_PATH_IMAGE032
是自由空间的有效阻抗。如图8所示，申请 人绘制了不同频率下当二氧化钒电导率为
Figure DEST_PATH_IMAGE033
时吸收器的相对阻抗变化曲线。从 图8中可以看出，频率从0.1THz到15THz变化范围内，吸收器的相对阻抗实部趋向于1，虚部 趋向于0，即
Figure 790513DEST_PATH_IMAGE034
。因此，吸收率
Figure 534478DEST_PATH_IMAGE036
，达到理想状态的最大值。这也说明了吸收器 的有效阻抗和自由空间的阻抗相匹配，实现了吸收带宽最大，达到了完美吸收的效果。本质 上，入射的电磁波在中间介质层的上下界面不断发生连续反射，导致了入射的电磁波能量 被完全消耗掉，因此光束被完全限制在介质当中。除此之外，还进一步地分别展现了不同合 成图案的吸收器整体吸收性能产生的影响：如图9所示的无图案的吸收器、如图10所示的两 个合成图案的吸收器和如图11所示的四个图案的吸收器。图9展示的是仅由金属接地层和 介质层构成的无图案吸收器。模拟结果表明，该吸收器产生了微弱的单峰吸收，吸收率不到 3.6%。从另一面看，与二氧化钒处于绝缘态(
Figure DEST_PATH_IMAGE037
)时设计的吸收器相比，添加二 氧化钒图案会进一步使吸收器的吸收性能略微提高。如图10所示，添加了两个相同的合成 图案，且呈斜对角对称排布。图10的结果表明，该吸收器在8.06 THz和11.44 THz处产生了 两个完美吸收峰，吸收率分别为98.5%和94%。与无图案的吸收器相比较，吸收器的吸收性能 明显增强。这是因为太赫兹波在金属-介质-金属结构里产生共振后不断消耗能量，从而实 现吸收率的提高。如11所示，将四个大小相同的谐振结构结合在一个单元中时，吸收器会产 生四个完美吸收峰，吸收率和吸收带宽与以往相比都实现了最高值。
为了更深入的了解吸收器的工作机理，申请绘制了TE极化下的四个吸收峰(f1= 7.86THz，f2=9.89THz，f3=11.69THz和f4=12.58THz)的电磁场分布。图12(a)-(d)展示的是在 介质层与贴片层交界面(
Figure 755113DEST_PATH_IMAGE038
)上的归一化横向电场分布(
Figure DEST_PATH_IMAGE039
)。值得注意的是，在不 同的共振频率处，电场强度分布变化明显，传达出吸收器独特的耦合信息。针对单个吸收 峰，电场强度主要分布在每个二氧化钒谐振结构的箭头和十字形附近。图12(e)-(h)展示的 是在四个共振频率下的电场分布z分量的归一化实部(real(
Figure DEST_PATH_IMAGE041
))。如图12(e)所示，在最低 共振频率f1处，对于每个整体合成图案来说，正负电荷主要累积在单个图案的箭头首部和 尾部的横向分布，然后形成偶极共振。由于合成图案表面存在相反电荷，电偶极子共振的存 在与金属/电介质界面上激发的局域表面等离子体共振密切相关。如图12(f)所示，对于吸 收峰f2，电场主要聚集在四个整体图案的中心位置，即十字形边缘上，形成多偶极子共振。 如图12(g)所示，对于吸收峰f3，正负电荷主要聚集在上下相邻谐振结构的边缘两侧。由于 上下两个相同图案之间的相互作用，从而激发了多偶极子共振。在吸收峰处f4，如图12(h) 所示，正负电荷大致集中在四个整体图案的内部结构边缘。事实上，该频率下的共振模式主 要是由复杂图案相互作用集结而成，可以归结为上下单个图案之间和单个图案里上下箭头 之间引起的多偶极子共振。图12(i)-(l)展示的是在
Figure DEST_PATH_IMAGE043
平面上的归一化电场分布(
Figure 700066DEST_PATH_IMAGE044
)。 总体来看，电场强度主要集中在介质层和二氧化钒谐振结构里。换句话说，近乎完美的超宽 带太赫兹吸收器的物理机制源于二氧化钒表面电荷产生表面等离子体共振，在二氧化钒结 构和金属反射层之间的电介质层里逐渐耗尽。
本发明的吸收器具备的优异吸收性能，均是选择优化后的几何参数值。申请人遵循控制变量原理研究不同几何参数对吸振器性能的影响。分别研究了箭头宽度w1、相邻箭头的间距w2、对角箭头和中间十字形之间的间距w3对吸收峰产生的差异。实验结果显示，随着合成图案的箭头宽度增加，吸收器的吸收带宽不断增大，而吸收峰的吸收强度基本保持不变。主要原因是不同宽度的合成图案和太赫兹波之间产生不同的共振强度，从而实现宽带吸收。而当相邻箭头间的间距w2从3.3um变化到4.6um时，对高频吸收和吸收带宽影响不大。然而，低频和中频吸收出现蓝移。这是由于箭头越长，即w2越小，越有利于太赫兹波在低中频区与合成图案产生共振。此外，相邻箭头的间距w3的大小会影响吸收峰的吸收强度变化，并且对低频和高频的吸收带宽产生相反的结果。同时，如果拉大每个VO2图案之间的距离，对低频吸收几乎不产生影响。并且，d1越大，吸收光谱逐渐蓝移，吸收带宽相对增大。
进一步地，通过改变介质层厚度h1和贴片层高度h2对设计的吸收器产生的影响。图13用点画线标注90%吸收率的轮廓。如图13所示，当h1从2 um增加到6 um时，吸收光谱会随着h1的增加而逐渐增强。可以发现，当h1增加到大约4 um厚时，超过90%的吸收带宽从5.36THz到13.06 THz最高可达7.7THz(白色虚线表示)，然后带宽逐渐减小。如图14所示，当高度h2从0.2 um增加到0.3 um时，吸收器能实现超宽带吸收，吸收效率均在90%以上。除此之外，h2能在0.05 um变化范围内保持最佳吸收效果，合成图案的厚度的变化对吸收器的影响较小，具有不敏感性。
图15和图16给出了TE和TM极化模式下，在入射角从0°到80°的范围内的吸收器的多角度吸收光谱。如图15所示，对于TE偏振，在0°到40°范围内吸收率总是在80%以上，吸收带宽相应的增大。随着入射角的增加，在一定的频率范围内保持较高的吸收率。当高入射角时，吸收率逐渐减小。如图16所示，对于TM偏振来说，一方面吸收带宽会随着入射角的增加而变窄，但入射角增加至60°时吸收率始终在80%以上，实现广角吸收。另一方面，当入射角大于18°后会出现一些高阶模，总体的吸收效果没有TE模式表现优异。
最后，考虑到设计的吸收器要在宽带光调制器等领域得到实际应用，因此需要选择合适的品质因数来衡量调制器设计的性能。而调制深度(MD)和消光比(ER)是表征光调制器的重要指标，通常定义为：
Figure DEST_PATH_IMAGE045
；（5）
Figure 756884DEST_PATH_IMAGE046
；（6）
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE047
，
Figure 881704DEST_PATH_IMAGE048
和
Figure 973156DEST_PATH_IMAGE050
分别表示最大反射功率、最小反射功率和入射功率。
Figure DEST_PATH_IMAGE051
和
Figure 557853DEST_PATH_IMAGE052
分别是当二氧化钒处于绝缘态和金属态下调制器的反射率。从图17中可以清楚的观 察到，四个吸收峰f1，f2，f3和f4对应的MD分别为0.97，0.95，0.95和0.91，吸收器的MD大于 0.8对应的频率范围为5.07－13.22 THz。为了满足人们的实际需求，ER小于-7dB是典型调 制器的设计要求。从图18可以看出，四个吸收峰f1，f2，f3和f4对应的ER分别为-32.38，- 31.43，-17.87和-13.5。该吸收器低于-7 dB对应的频率范围为5.04－13.29 THz。综合来 看，设计的吸收器能更好的达到预期目标，展现较好的调制性能。同时，该吸收器灵活的设 计方法为光调制器提供了广阔的应用前景。
综上所述，本发明的太赫兹吸收器基本上实现全反射。当二氧化钒处于金属态时，在电磁波的垂直入射下，本发明的太赫兹吸收器在5.36THz-13.06THz频率范围内，吸收率超过90%的吸收带宽可达7.7THz。其中，太赫兹吸收器在7.86THz、9.89THz、11.69THz和12.58THz频率处的吸收率均在96%以上。通过调节二氧化钒的电导率，该吸收器实现了近乎完美的幅度调制，吸收率从4.31%动态调谐到100%。本发明的太赫兹吸收器在吸收宽带方面得到了显著的提高，并且还具有结构简单、偏振不敏感和广角吸收等诸多优点。本发明的设计的太赫兹吸收器在光化学能量吸收、热发射器和隐身等前沿领域具有巨大的发展前景。

Claims (5)

1.一种基于二氧化钒的可调谐超宽带太赫兹吸收器，其特征在于： 包括由介质层（1）、金属反射层（2）和贴片层（3）组成的单元结构；所述介质层（1）的水平方向截面为正方形，所述介质层（1）的底面设置金属反射层（2），介质层（1）的表面设置材质为二氧化钒的贴片层（3）；所述的贴片层（3）由四个相同的合成图案（4）组成；四个所述合成图案（4）分别位于介质层（1）表面的四角，且两两对称；所述合成图案（4）由一个十字贴片（5）和四个相同且两两对称的箭头贴片（6）构成；四个所述箭头贴片（6）的箭头角度均为90°，且分别与介质层（1）表面的四角平行；所述十字贴片（5）位于四个所述箭头贴片（6）围合形成区域的中部，且十字贴片（5）的边分别指向箭头贴片（6）的箭头。
2.根据权利要求1所述的基于二氧化钒的可调谐超宽带太赫兹吸收器，其特征在于：所述金属反射层（2）的材质为金。
3.根据权利要求1所述的基于二氧化钒的可调谐超宽带太赫兹吸收器，其特征在于：所述介质层（1）的材质为二氧化硅，介质层（1）的介电常数为3.8。
4.根据权利要求1所述的基于二氧化钒的可调谐超宽带太赫兹吸收器，其特征在于：所述金属反射层（2）的厚度为1um；所述介质层（1）的厚度为4um；所述贴片层（3）的厚度为0.27um，所述单元结构的周期为49.5um。
5.根据权利要求4所述的基于二氧化钒的可调谐超宽带太赫兹吸收器，其特征在于：所述合成图案（4）的周期为20um，相邻合成图案（4）之间的边间距为4um；所述箭头贴片（6）的边宽为1.95um，相邻箭头贴片（6）之间边间距为4.4um；所述箭头贴片（6）与十字贴片（5）的边间距为2.1um；所述十字贴片（5）的长度为5.6um。
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