CN117353035A - 一种基于二氧化钒的超宽带可调超材料吸波器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种基于二氧化钒的超宽带可调超材料吸波器。其特征是：这是一种超宽带可调超材料吸波器，从下向上依次为反射层(1)，介质层1(2)，二氧化钒层(3)，介质层2(4)，各层之间为紧密贴合。本发明具有吸收带宽大，吸收率可调、偏振无关、偏振角不敏感、宽入射角的特点。本发明可用于太赫兹吸波器件的开发，可广泛用于太赫兹探测、传感、隐身、光开关等领域。
Description
(一)技术领域
本发明涉及的是一种基于二氧化钒的超宽带可调超材料吸波器，可用于太赫兹吸波器件的开发，具体属于太赫兹超材料器件设计技术领域。
(二)背景技术
超材料是一种人为创造的周期性排列的电磁材料。由于其具有众多超常的物理特性如：负折射率、逆多普勒效应、左手特性等而受到广泛的关注。作为一种新型的结构材料，超材料可以实现对电磁波的振幅、偏振态、相位的调控。这些特性使超材料在光学器件领域如：光电探测、光开关、传感、能量收集具有巨大的潜力。
超材料完美吸波器能在厚度小于1/4波长的条件下实现高吸收率的吸收。与传统的吸波器相比具有体积小、设计灵活的特点。2008年，Landy等人设计出第一个超材料完美吸波器。从此超材料完美吸波器向宽带吸收、多带吸收、可调等方向发展。
宽带吸收和可调性是超材料完美吸波器的两个重要研究方向。但是如何在实现可调的同时尽量拓宽吸收带宽是目前面临的主要问题。
文献CN113241531B公开了一种基于二氧化钒的可调谐阵列集成宽带太赫兹吸波谐振器。通过控制二氧化钒的电导率可以实现吸收率的灵活调控，最终该吸波器可以实现在4-5THz范围内超过80％的吸收，但是吸收带宽较窄。
文献CN209418771U公开了一种基于多层结构的宽频电磁超材料吸波器。当T＝350K时二氧化钒处于金属态，吸波器再1.63-3.86THz的范围内吸收率大于90％。虽然该吸波器具备可调性，但是其吸收带宽较窄。
文献CN210182582U公开了一种基于分形结构的超宽带太赫兹超材料吸波器。该吸波器在频带6.389THz到9.47THz内的范围内吸收率大于90％。该吸波器的吸收带宽较窄且不具备可调性。
综上所述，如何通过合理的结构设计实现高吸收率的超宽带吸收和吸波器的可调性的平衡，使得超材料吸波器的应用前景更广阔是一个亟待解决的问题。
(三)发明内容
为了解决上述现有技术方案中的不足，本发明的目的在于提供结构简单、吸收带宽大、具备可调功能的一种基于二氧化钒的超宽带可调超材料吸波器。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于二氧化钒的超宽带可调超材料吸波器，其特征是：该吸波器共有四层。从下向上依次为反射层(1)，介质层1(2)，二氧化钒层(3)，介质层2(4)，各层之间为紧密贴合。
所述的一种基于二氧化钒的超宽带可调超材料吸波器的横向周期P＝21μm，纵向周期为13.7μm。
所述的反射层(1)厚度h1＝0.5μm，选用金作为反射层(1)的材料，电导率σ1＝4.56×107S/m。
所述的介质层1(2)和介质层2(4)的厚度分别为h2＝6μm，h4＝7μm，选用聚酰亚胺作为介质层1(2)和介质层2(4)的材料，介电常数ε1＝2.35。
所述的二氧化钒层(3)厚度h3＝0.2μm，使用直流反应磁控溅射和光刻工艺得到。其结构参数为L1＝20μm,L2＝19μm,t1＝5μm,t2＝0.9μm。
所述的二氧化钒层(3)的材料介电常数在THz波段可以由Drude模型描述，其公式为：
式中，高频介电常数ε∞＝12，振荡频率γ＝5.75×1013rad/s，ωP等离子频率，σ2为电导率，ωP和σ2的关系为：
式中，σ0＝3×105S/m，ωp(σ)＝1.4×1015rad/s。
本发明所产生的益处效果是：
(1)所述吸波器在二氧化钒电导率σ2＝2×105S/m时，吸波器在2.81-10THz的范围内的吸收率大于90％，绝对带宽达到7.19THz；在3.13-5.58THz,8.70-9.05THz,9.76-9.87THz的范围内吸收率大于95％。在9.80THz处吸收率大于99％。所述吸波器具有吸收带宽大的特点。
(2)所述吸波器通过改变温度可以改变二氧化钒电导率。在二氧化钒电导率σ2＝2×102S/m时，吸收率降至1％，最大调制深度达97％。所述吸波器具有可调且调制深度大的特点。
(3)所述吸波器在TE波与TM波模式下拥有相同的吸收率。改变偏振角，吸波器的吸收率与吸收带宽基本不变。所述吸波器具有偏振无关与偏振角度无关的特点。
(4)所述吸波器在0-60°入射角的范围内吸收率与吸收带宽保持基本不变，具有宽入射角度的特点。
(四)附图说明
图1为本发明的整体结构图；
图2为本发明的纵向结构示意图；
图3为本发明二氧化钒层(3)的俯视图；
图4为本发明在电磁波垂直入射下，二氧化钒电导率为2×105S/m时，使用仿真软件CST STUDIO SUITE 2019仿真得到的TE波和TM波吸收曲线图；
图5为本发明在入射角0-60°时的吸收曲线图；
图6为本发明在偏振角0-90°时的吸收曲线图；
图7为本发明在电磁波垂直入射下，二氧化钒电导率2×102S/m指数增加至2×105S/m时TE波吸收曲线图。
(五)具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式和步骤进行进一步的阐述：所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是意味着对本发明保护范围的任何限定。
实施例
图1为本发明的整体结构图，图2为本发明的纵向结构示意图。如图所示该器件为多层结构，其主要结构包括：反射层(1)，介质层1(2)，二氧化钒层(3)，介质层2(4)。如附图2所示，由下至上各层厚度分别为h1＝0.2μm，h2＝6μm，h3＝0.2μm，h4＝7μm。所描述的反射层(1)用金作为材料，其电导率σ1＝4.56×107S/m。所描述的介质层1(2)和介质层2(4)均使用聚酰亚胺作为其材料，介电常数ε1＝2.35。
图3为本发明二氧化钒层(3)的俯视图。其结构尺寸如下：晶格周期P＝21μm，雕刻的二氧化钒图案参数为L1＝20μm，L2＝19μm，t1＝5μm，t2＝0.9μm。二氧化钒层(3)在THz范围内的介电常数可由Drude模型描述。
吸波器吸收效率由公式A(ω)＝1-R(ω)-T(ω)＝1-|S11|2-|S21|2得到。其中，A(ω)为吸收率，R(ω)为反射率，T(ω)为透射率，S21为透射系数，S11为反射系数。反射层厚度大于趋肤深度导致透射率为0，故吸波器吸收率公式可以变为A(ω)＝1-R(ω)＝1-|S11|2。
入射的电磁波在偶极子共振、表面等离子体共振以及介质的本征吸收三种效果的作用下在如此宽的范围内形成高吸收。
图4中两条吸收曲线为本实施例在二氧化钒电导率σ2＝2×105S/m的状态下，对TE波和TM波的吸收曲线。证实了吸波器在2.81-10THz的范围内的吸收率大于90％，且表现出偏振无关的特性。绝对吸收带宽为7.19THz。存在4个吸收峰f1(4.32THz)，f2(6.35THz),f3(8.85THz)和f4(9.80THz)。在3.13-5.58THz,8.70-9.05THz,9.76-9.87THz的范围内吸收率大于95％，在9.80THz处吸收率大于99％。
图5为本发明在入射角0-60°时的吸收曲线图，图6为本发明在偏振角0-90°时的吸收曲线图。在0-60°的入射角范围内本发明依然可以保持高吸收率和高吸收带宽。在0-90°的偏振角范围内本发明的吸收效果基本保持不变。证明本发明具有宽入射角和偏振角不敏感的特性。
图7为本发明在TE波垂直入射下，二氧化钒电导率从2×102S/m变化至2×105S/m的吸收曲线图。当二氧化钒电导率从2×102S/m增加到2×105S/m，超材料吸波器的吸收率从1％增加到99％。这表明所设计的超材料在光开关中具有潜在的应用前景。其物理机制是二氧化钒介电常数的变化导致吸收率的连续调节。
本文提出了一种基于二氧化钒的超宽带可调超材料吸波器。当VO2的电导率为2×105S/m时，吸波器的吸收率在2.81-10THz的范围内吸收率大于90％。通过调节VO2的电导率，可以实现一个较大的调制深度。该吸波器具有偏振无关以及宽入射角的特点。其在大范围入射角下仍然可以保持宽吸收带下的高吸收率。
以上所述是本发明应用的技术原理和具体实例，依据本发明的构想所做的同等或等价设计、改进等，均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种基于二氧化钒的超宽带可调超材料吸波器，其特征是：该吸波器共有四层。从下向上依次为反射层(1)，介质层1(2)，二氧化钒层(3)，介质层2(4)，各层之间为紧密贴合。
2.根据权利要求1所述的一种基于二氧化钒的超宽带可调超材料吸波器，其特征是：横向周期P＝21μm，纵向周期为13.7μm。
3.根据权利要求1所述的一种基于二氧化钒的超宽带可调超材料吸波器，其特征是：所述的二氧化钒层(3)厚度h3＝0.2μm，其结构参数为L1＝20μm,L2＝19μm,t1＝5μm,t2＝0.9μm。
4.根据权利要求1所述的一种基于二氧化钒的超宽带可调超材料吸波器，其特征是：所述吸波器在0-60°入射角的范围内吸收率与吸收带宽保持基本不变，具有宽入射角度的特点。
5.根据权利要求1所述的一种基于二氧化钒的超宽带可调超材料吸波器，其特征是：所述吸波器具有偏振无关与偏振角度无关的特点。
6.根据权利要求1所述的一种基于二氧化钒的超宽带可调超材料吸波器，其特征是：所述吸波器在二氧化钒电导率σ2＝2×102S/m时，吸收率降至1％。最大调制深度达97％，具有可调且调制深度大的特点。
7.根据权利要求1所述的一种基于二氧化钒的超宽带可调超材料吸波器，其特征是：所述吸波器在二氧化钒电导率σ2＝2×105S/m时，吸波器在2.81-10THz的范围内的吸收率大于90％，绝对带宽达到7.19THz。在3.13-5.58THz,8.70-9.05THz,9.76-9.87THz的范围内吸收率大于95％，在9.80THz处吸收率大于99％。
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