CN115000724B - 一种基于二氧化钒的可调谐超宽带太赫兹吸收器 - Google Patents
一种基于二氧化钒的可调谐超宽带太赫兹吸收器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115000724B CN115000724B CN202210903141.9A CN202210903141A CN115000724B CN 115000724 B CN115000724 B CN 115000724B CN 202210903141 A CN202210903141 A CN 202210903141A CN 115000724 B CN115000724 B CN 115000724B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- dielectric layer
- patch
- arrow
- layer
- absorption
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 title claims abstract description 88
- GRUMUEUJTSXQOI-UHFFFAOYSA-N vanadium dioxide Chemical compound O=[V]=O GRUMUEUJTSXQOI-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 50
- 229910021542 Vanadium(IV) oxide Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 49
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 25
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 25
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 4
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 4
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 abstract description 72
- 230000010287 polarization Effects 0.000 abstract description 17
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 5
- 230000008901 benefit Effects 0.000 abstract description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 59
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 18
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 11
- 230000008859 change Effects 0.000 description 9
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 9
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 8
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 5
- 238000013461 design Methods 0.000 description 4
- 238000011161 development Methods 0.000 description 4
- 238000002835 absorbance Methods 0.000 description 3
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- 238000002198 surface plasmon resonance spectroscopy Methods 0.000 description 3
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 3
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 1
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008033 biological extinction Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- DUSYNUCUMASASA-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);vanadium(4+) Chemical group [O-2].[O-2].[V+4] DUSYNUCUMASASA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 description 1
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 description 1
- 229920002994 synthetic fiber Polymers 0.000 description 1
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q17/00—Devices for absorbing waves radiated from an antenna; Combinations of such devices with active antenna elements or systems
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
- H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
- H01Q15/0013—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices working as frequency-selective reflecting surfaces, e.g. FSS, dichroic plates, surfaces being partly transmissive and reflective
- H01Q15/002—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices working as frequency-selective reflecting surfaces, e.g. FSS, dichroic plates, surfaces being partly transmissive and reflective said selective devices being reconfigurable or tunable, e.g. using switches or diodes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
- H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
- H01Q15/0013—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices working as frequency-selective reflecting surfaces, e.g. FSS, dichroic plates, surfaces being partly transmissive and reflective
- H01Q15/0026—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices working as frequency-selective reflecting surfaces, e.g. FSS, dichroic plates, surfaces being partly transmissive and reflective said selective devices having a stacked geometry or having multiple layers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
- H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
- H01Q15/0086—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices having materials with a synthesized negative refractive index, e.g. metamaterials or left-handed materials
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q17/00—Devices for absorbing waves radiated from an antenna; Combinations of such devices with active antenna elements or systems
- H01Q17/007—Devices for absorbing waves radiated from an antenna; Combinations of such devices with active antenna elements or systems with means for controlling the absorption
Landscapes
- Aerials With Secondary Devices (AREA)
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
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:
设定二氧化钒处在绝缘态和金属态的电导率分别是和。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。其中,是反射
率,是透射率。和可以从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。因此,吸收器可以简化为。
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),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(是自由空间的共振波
长,和分别是SiO2的折射率和介电常数)。在这里,自由空间的共振波长,
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:
其中,是吸收器的有效阻抗,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。因此,吸收率,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()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()上的归一化横向电场分布()。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())。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)展示的是在平面上的归一化电场分布(
)。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:
式中, ,和分别表示最大反射功率、最小反射功率和入射功率。 和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 (3)
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)的顶部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;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;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。
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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202210903141.9A CN115000724B (zh) | 2022-07-29 | 2022-07-29 | 一种基于二氧化钒的可调谐超宽带太赫兹吸收器 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202210903141.9A CN115000724B (zh) | 2022-07-29 | 2022-07-29 | 一种基于二氧化钒的可调谐超宽带太赫兹吸收器 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN115000724A CN115000724A (zh) | 2022-09-02 |
CN115000724B true CN115000724B (zh) | 2022-10-25 |
Family
ID=83022051
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202210903141.9A Active CN115000724B (zh) | 2022-07-29 | 2022-07-29 | 一种基于二氧化钒的可调谐超宽带太赫兹吸收器 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN115000724B (zh) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN116666990B (zh) * | 2023-07-26 | 2023-10-31 | 南京理工大学 | 可重构超表面吸波器的特征模式设计方法及超表面吸波器 |
Citations (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004260108A (ja) * | 2003-02-27 | 2004-09-16 | Mitsubishi Cable Ind Ltd | シート状電波吸収体 |
CN202259698U (zh) * | 2011-10-25 | 2012-05-30 | 哈尔滨理工大学 | 基于分形结构多带极化不敏感太赫兹超材料吸收器 |
WO2014079298A1 (zh) * | 2012-11-20 | 2014-05-30 | 深圳光启创新技术有限公司 | 超材料、超材料的制备方法及超材料的设计方法 |
US8803637B1 (en) * | 2008-10-31 | 2014-08-12 | Sandia Corporation | Terahertz metamaterials |
CN110098487A (zh) * | 2019-04-25 | 2019-08-06 | 中国传媒大学 | 一种超宽带雷达散射截面缩减超表面 |
CN210182581U (zh) * | 2019-08-20 | 2020-03-24 | 南京邮电大学 | 一种基于二氧化钒调控的单层THz宽带吸波体 |
CN111048910A (zh) * | 2019-12-31 | 2020-04-21 | 浙江科技学院 | 超材料太赫兹电磁吸收器 |
CN213151025U (zh) * | 2020-09-17 | 2021-05-07 | 华东师范大学 | 一种超宽带反射型圆极化电磁波相位调控超表面单元结构 |
CN113690598A (zh) * | 2021-08-11 | 2021-11-23 | 电子科技大学 | 基于近零折射率超材料的生物医学遥测植入式高增益天线 |
CN114488575A (zh) * | 2022-01-25 | 2022-05-13 | 天津大学 | 基于二氧化钒的多功能主动调控太赫兹器件 |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101286091B1 (ko) * | 2009-12-07 | 2013-07-15 | 한국전자통신연구원 | 다방향성 공진형 전자파 흡수체, 그것을 이용한 전자파 흡수성능 조정 방법 및 그 제조 방법 |
CN105896098B (zh) * | 2016-04-25 | 2019-03-01 | 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 | 一种基于多谐振吸收叠加的宽频带太赫兹超材料吸收器 |
CN112490678B (zh) * | 2020-11-12 | 2022-11-01 | 云南师范大学 | 基于vo2的宽带太赫兹超表面吸收单元及超表面吸收体 |
-
2022
- 2022-07-29 CN CN202210903141.9A patent/CN115000724B/zh active Active
Patent Citations (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004260108A (ja) * | 2003-02-27 | 2004-09-16 | Mitsubishi Cable Ind Ltd | シート状電波吸収体 |
US8803637B1 (en) * | 2008-10-31 | 2014-08-12 | Sandia Corporation | Terahertz metamaterials |
CN202259698U (zh) * | 2011-10-25 | 2012-05-30 | 哈尔滨理工大学 | 基于分形结构多带极化不敏感太赫兹超材料吸收器 |
WO2014079298A1 (zh) * | 2012-11-20 | 2014-05-30 | 深圳光启创新技术有限公司 | 超材料、超材料的制备方法及超材料的设计方法 |
CN110098487A (zh) * | 2019-04-25 | 2019-08-06 | 中国传媒大学 | 一种超宽带雷达散射截面缩减超表面 |
CN210182581U (zh) * | 2019-08-20 | 2020-03-24 | 南京邮电大学 | 一种基于二氧化钒调控的单层THz宽带吸波体 |
CN111048910A (zh) * | 2019-12-31 | 2020-04-21 | 浙江科技学院 | 超材料太赫兹电磁吸收器 |
CN213151025U (zh) * | 2020-09-17 | 2021-05-07 | 华东师范大学 | 一种超宽带反射型圆极化电磁波相位调控超表面单元结构 |
CN113690598A (zh) * | 2021-08-11 | 2021-11-23 | 电子科技大学 | 基于近零折射率超材料的生物医学遥测植入式高增益天线 |
CN114488575A (zh) * | 2022-01-25 | 2022-05-13 | 天津大学 | 基于二氧化钒的多功能主动调控太赫兹器件 |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
Miniaturized Periodicity Broadband Absorber With Via-Based Hybrid Metal-Graphene Structure for Large-Angle RCS Reduction;Yu-Tong Zhao等;《IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION》;20211110;第2832-2840页 * |
太赫兹超材料的吸收调制方法;张建娜等;《激光与光电子学进展》;20161020(第11期);第1-10页 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN115000724A (zh) | 2022-09-02 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Wang et al. | Design of a dual-band terahertz metamaterial absorber using two identical square patches for sensing application | |
Wang et al. | Realization of a multi-band terahertz metamaterial absorber using two identical split rings having opposite opening directions connected by a rectangular patch | |
Hu et al. | Design of four-band terahertz perfect absorber based on a simple#-shaped metamaterial resonator | |
CN111048908B (zh) | 一种光学透明型宽带超表面Salisbury屏吸波结构设计方法 | |
CN115000724B (zh) | 一种基于二氧化钒的可调谐超宽带太赫兹吸收器 | |
Li et al. | Polarization-sensitive multi-frequency switches and high-performance slow light based on quadruple plasmon-induced transparency in a patterned graphene-based terahertz metamaterial | |
CN111610649B (zh) | 一种窄带超表面器件 | |
Liu et al. | A compact metamaterial broadband THz absorber consists of graphene crosses with different sizes | |
Abou Houran et al. | MXene nanorods-based metasurface wideband absorber for infrared regime | |
Xue et al. | A high-performance terahertz absorber based on synthetic-patterned vanadium dioxide metamaterials | |
Zhou et al. | Cross-shaped titanium resonators based metasurface for ultra-broadband solar absorption | |
Wan et al. | Ultrathin polarization-insensitive, broadband visible absorber based rectangular metagratings | |
CN113078479B (zh) | 一种基于复合硅半球/石墨烯宽带太赫兹超材料吸收器 | |
Wang et al. | Dual-band dynamically tunable absorbers based on graphene and double vanadium dioxide metamaterials | |
CN108181672B (zh) | 一种混合等离激元波导布拉格光栅 | |
Dhriti et al. | Tunable terahertz absorption modulation in graphene nanoribbon-assisted dielectric metamaterial | |
Yang et al. | Broadband long-wave infrared metamaterial absorbers based on germanium resonators | |
Berka et al. | Nano-resonator based broadband metamaterial absorber with angular stability operating in visible light spectrum for solar energy harvesting applications | |
CN106707382B (zh) | 基于齿形结构的光吸收器 | |
Li et al. | Switchable dual-function metasurfaces with electromagnetic induction transparency-like and absorption | |
Wu et al. | Vanadium dioxide-based ultra-broadband metamaterial absorber for terahertz waves | |
CN113948876A (zh) | 一种去金属化的动态热可调三窄带太赫兹完美吸波器 | |
Zhao et al. | A dynamically temperature tunable broadband infrared absorber with cross square nanocolumn arrays | |
Wang et al. | Reverse design of metamaterial absorbers based on an equivalent circuit | |
Tian et al. | Dynamically light-switched polarization-sensitive absorber based on semiconductor-incorporated metamaterial structure |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |