CN212542696U

CN212542696U - 光波段频控的时空可重构超材料系统

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Publication number: CN212542696U
Application number: CN202020992503.2U
Authority: CN
Inventors: 宋巍; 魏静; 崔欣; 葛婷婷; 井嘉桐; 盛新庆
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2020-06-03
Filing date: 2020-06-03
Publication date: 2021-02-12
Anticipated expiration: 2030-06-03

Abstract

本实用新型属于超材料技术领域，旨在解决现有基于超材料和半导体结合的有源超材料需要引入馈电线路导致结构复杂以及部分性能有所影响的问题。为此目的，本实用新型提供了一种光波段频控的时空可重构超材料系统，该系统包括：超材料结构，其包括不少于两个不同频率光照响应的半导体材料单元；馈光系统，其包括不少于两个能发出不同频率光的可调光源，所述可调光源的发光频率与所述光照响应半导体单元种类一一对应。本实用新型能实现对超材料的无线操控，突破了因引入变容二极管等需连接控制电路系统的空间布线的限制，实现了通过不同频率光照对超材料的时空重构控制，使得超材料在电磁屏蔽、电磁探测、电磁隐身和通信系统中能够得到更广泛应用。

Description

光波段频控的时空可重构超材料系统

技术领域

本实用新型属于超材料技术领域，具体提供一种光波段频控的时空可重构超材料系统。

背景技术

超材料，是指一些具有人工设计的结构并呈现出天然材料所不具备的超常物理性质的复合材料。超表面，是指一种厚度小于波长的人工层状材料，超表面可实现对电磁波振幅、相位、极化(偏振)方式和传播模式等特性的灵活有效调控，超表面可视为超材料的二维对应。

超表面与半导体的结合为有源超材料的发展带来了新机遇，如何实现对半导体的有效控制是该技术的研究关键。编码超材料自2014年首次提出以来，基于PIN二极管的数字编码和FPGA可编程编码超表面得到了迅速的发展。然而，上述方法需要引入馈电线路，以有源天线为例，额外的馈线具有以下几个严重的问题：1、极大地影响超材料器件的电磁特性，如频率偏移、插入损耗增加、工作带宽减小和方向图恶化等；2、馈线的设计十分复杂，只有部分基本结构可以设计馈线；3、有源器件的截止频率限制了有源天线工作频率的提高。

因此，本领域需要一种新的光波段频控的时空可重构超材料系统来解决上述问题。

实用新型内容

为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有基于超材料和半导体结合的有源超材料需要引入馈电线路导致结构复杂以及部分性能有所影响的问题，本实用新型提供了一种光波段频控的时空可重构超材料系统，所述系统包括：超材料结构，其包括不少于两个不同频率光照响应的半导体材料单元；馈光系统，其包括不少于两个能发出不同频率光的可调光源，所述可调光源的发光频率与所述光照响应半导体单元种类一一对应。

在上述超材料系统的优选技术方案中，所有所述超材料组都处于同一个面内，所述面为平面或曲面。

在上述超材料系统的优选技术方案中，所有所述超材料组不完全处于同一个面内，所述面为平面或曲面。

在上述超材料系统的优选技术方案中，所述半导体材料单元为二维的半导体材料单元。

在上述超材料系统的优选技术方案中，所述二维的半导体材料单元包括至少一个光照响应的半导体结构。

在上述超材料系统的优选技术方案中，所述半导体材料单元为三维的半导体材料单元。

在上述超材料系统的优选技术方案中，所述三维的半导体材料单元包括由上至下依次层叠设置的多个半导体材料层。

在上述超材料系统的优选技术方案中，所述半导体材料层包括至少一个光照响应的半导体结构。

在上述超材料系统的优选技术方案中，所述三维的半导体材料单元包括由内至外依次层叠设置的多个半导体材料层。

在上述超材料系统的优选技术方案中，所述可调光源包括控制单元、移动单元和发光单元，所述发光单元设置为能够向相对应的所述超材料组发射光波，所述控制单元设置为能够控制所述发光单元的发光频率、发光时间以及所述移动单元的移动方式；所述移动单元设置为能够调节所述发光单元的光照位置和/或光照角度。

本领域技术人员能够理解的是，在本实用新型的优选技术方案中，通过光控技术来对超材料结构进行空间和时间控制。即，通过对馈光系统的所有可调光源的激光束空间照射位置及发光频率的控制，实现了对半导体材料单元空间上有效导电图形的空间选择控制，从而实现对超材料电磁响应特性的切换，从而实现超材料多功能性的重构；通过对馈光系统的所有可调光源进行光照位置和发光频率的时间调节，实现了对半导体材料导通状态在时间上的切换，从而实现超材料多功能性的切换。通过这样的设置，实现了对超材料多功能间切换的无线操控，突破了因引入变容二极管等需连接控制电路系统的空间布线的限制，实现了通过不同频率光照对超材料的时空重构控制，使得超材料在电磁屏蔽、电磁探测、电磁隐身和通信系统中能够得到更广泛的应用。

附图说明

图1是本实用新型的实施例一的半导体材料单元的结构示意图；

图2是图1的上层玻璃的结构示意图；

图3a是图1的中层玻璃的结构示意图一；

图3b是图1的中层玻璃的结构示意图二；

图4a是图1的下层玻璃的结构示意图一；

图4b是图1的下层玻璃的结构示意图二；

图5是本实用新型的实施例一的多功能超材料板被多种不同频率的光激发的功能示意图；

图6a是本实用新型的实施例一的多功能超材料板磁材料被一种单色光激发的效果图；

图6b是本实用新型的实施例一的多功能超材料板磁材料被两种不同单色光激发的效果图；

图7a是本实用新型的实施例二的超材料结构的结构示意图一；

图7b是本实用新型的实施例二的超材料结构的结构示意图二；

图8a是本实用新型的实施例二的超材料结构的结构尺寸图一；

图8b是本实用新型的实施例二的超材料结构的结构尺寸图二；

图9a是本实用新型的实施例三的超材料结构的结构示意图一；

图9b是本实用新型的实施例三的超材料结构的结构示意图二；

图10a是本实用新型的实施例三的超材料结构的结构尺寸图一；

图10b是本实用新型的实施例三的超材料结构的结构尺寸图二；

图11a是本实用新型的实施例三的超材料结构在无光照情况下的吸波率曲线；

图11b是本实用新型的实施例三的超材料结构在红色光照情况下的吸波率曲线；

图11c是本实用新型的实施例三的超材料结构在绿色光照情况下的吸波率曲线；

图11d是本实用新型的实施例三的超材料结构在红色和绿色光照情况下的吸波率曲线；

图11e是本实用新型的实施例三的超材料结构可重构吸波效果图。

具体实施方式

下面参照附图来描述本实用新型的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本实用新型的技术原理，并非旨在限制本实用新型的保护范围。

需要说明的是，在本实用新型的描述中，术语“中”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，还需要说明的是，在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。另外，本实用新型的所有附图中的颜色是为区分不同半导体材料而示意选择的，旨在为了解释本实用新型的技术方案，在实际应用中，其材料是透明的。

基于背景技术指出的现有基于超材料和半导体结合的有源超材料需要引入馈电线路导致结构复杂以及部分性能有所影响的问题，本实用新型提供了一种光波段频控的时空可重构超材料系统，旨在实现了对超材料的无线操控，突破了因引入变容二极管等需连接控制电路系统的空间布线的限制，实现了通过不同频率光照对超材料的时空重构控制，使得超材料在电磁屏蔽、电磁探测、电磁隐身和通信系统中能够得到更广泛的应用。

具体地，本实用新型的超材料系统包括：超材料结构，不少于两个不同频率光照响应的半导体材料单元；馈光系统，其包括不少于两个能发出不同频率光的可调光源，所述可调光源的发光频率与所述光照响应半导体单元种类一一对应。其中，可调光源能够调节自身发出光波的频率、空间照射位置以及发光时间。每个可调光源能够向与其对应的超材料组(该超材料组可以包括一个半导体材料单元或者多个半导体材料单元)发出设定频率的光波，不同频率的光波对应不同的频率范围，例如，当可调光源向与其对应的超材料组发出频率为450THz的红光时，对应响应频率为450THz的半导体材料的导电率上升，表现为导体，超材料呈现出红光响应的超材料样式；当可调光源向与其对应的超材料组发出频率为560THz的绿光时，对应响应频率为560THz的半导体材料导电率上升，表现为导体，超材料呈现出绿光响应的超材料样式；当可调光源向与其对应的超材料组发出频率为760THz的紫光时，对应响应频率为760THz的半导体材料的导电率上升，表现为导体，超材料呈现出紫光响应的超材料样式。当然，上述发出各色光波的频率仅是示例性的，并不构成对本实用新型的任何限制。馈光系统可以包括可编程控制终端，可编程控制终端存储有控制程序并且与所有可调光源连接，通过可编程控制器能够对每个可调光源进行光波的频率调节、设定空间照射位置以及进行发光时间调节。当然，也可以采用外部PC端等其他控制终端与所有可调光源通信(例如WiFi连接、蓝牙连接、5G连接和/或4G连接等)，即通过外部的控制终端对每个可调光源进行光波的频率调节、设定空间照射位置以及进行光照时间控制。当然，上述控制方案的描述仅是示例性的，并不构成对本实用新型的任何限制。

在上述中，所有超材料组可以都处于同一个平面或曲面内，当然，也可以不完全处于同一个平面或曲面内(例如，所有超材料组都分别处于不同的面；或者，一部分超材料组处于一个面，另一部分超材料组处于另一个面；又或者，一部分超材料组处于一个面，另一部分超材料组分别处于不同的面)。半导体材料单元可以为二维的半导体材料单元，也可以为三维的半导体材料单元。

在一种可能的情形中，半导体材料单元均为二维的半导体材料单元，所有二维的半导体材料单元都处于同一个面内，该面可以为平面(例如水平方向的面或竖直方向的面等)，该面也可以为曲面(例如球面或椭球面等)。

在另一种可能的情形中，半导体材料单元均为二维的半导体材料单元，所有二维的半导体材料单元分别处于不同的面，所有面可以均为平面(例如水平方向的面或竖直方向的面等)，所有面也可以均为曲面(例如球面或椭球面等)，或者一部分面为平面，另一部分面为曲面。

在又一种可能的情形中，半导体材料单元均为三维的半导体材料单元，每个三维的半导体材料单元均包括上下层叠设置的两个半导体材料层，所有半导体材料单元的上层半导体材料层处于同一个面，所有半导体材料单元的下层半导体材料层处于同一个面，使得所有的三维的半导体材料单元都处于同一个面。

当然，上述的所列举的情形仅是示例性的，在实际应用中，本领域技术人员可以结合具体的使用场景灵活地设置超材料组的设置方式以及半导体材料单元的具体结构。

当半导体材料单元为三维的半导体材料单元时，三维的半导体材料单元可以包括由上至下依次层叠设置的多个半导体材料层，当然，也可以包括由内至外依次层叠设置的多个半导体材料层，每个半导体材料层可以包括至少一个光控半导体超材料块。半导体材料层之间也可以是编织、嵌套等更复杂的位置关系。上述空间构成方案的描述仅是示例性的，并不构成对本实用新型的任何限制。

在本实用新型中，优选地，可调光源包括控制单元、移动单元和发光单元，发光单元设置为能够向相对应的超材料组发射光波，控制单元设置为能够控制发光单元的发光频率、发光时间以及所述移动单元的移动方式；移动单元设置为能够调节发光单元的光照位置和/或光照角度。移动单元可以采用直线电机等结构，进而来调节发光单元的光照位置；移动单元还可以采用摆动电机、转动电机与凸轮副相结合或转动电机与齿轮副相结合等结构，进而来调节发光单元的光照角度；移动单元还可以采用直线电机与摆动电机相结合或直线电机与转动电机和凸轮副相结合等结构，进而同时来调节发光单元的光照位置以及光照角度。上述移动单元实现方案的描述是示例性的，并不构成对本实用新型的任何限制。

下面结合多个具体的实施例来进一步阐述本实用新型的技术方案。

实施例一

图1是由三层玻璃蒸镀半导体组合构成的半导体材料单元，其中，淡蓝色代表玻璃；图2是图1的上层玻璃的结构示意图；图3a和图3b是图1的中层玻璃的结构示意图；图4a和图4b是图1的下层玻璃的结构示意图。

在上层玻璃示意图中，淡红色部分的材料为钴掺GaAs，黄色部分的材料为InAlGaP。

在中层玻璃示意图中，红色部分的材料为CH₃NH₃Pb(I_xBr_1-x)₃，Br和I的比例为6：1；橙色部分的材料为CH₃NH₃Pb(I_xBr_1-x)₃，Br和I的比例为15:1；黄色部分的材料为CH₃CH₃NH₃PbBr₃；绿色部分的材料为CH₃NH₃Pb(Br_xCl_1-x)₃，Cl和Br的比例为1:1；蓝色部分的材料为CH₃NH₃Pb(Br_xCl_1-x)₃，Cl和Br的比例为4:1；紫色部分的材料为CH₃NH₃PbCl₃。

在下层玻璃示意图中，淡红色部分的材料为钴掺GaAs，黄色部分的材料为InAlGaP。

通过上述的半导体材料单元周期排布可以组成多功能超材料板，如图5所示，通过控制光照，实现不同频段的角动量波调制以及波束形态控制等功能。例如，当进行角动量波调制时，不同频率的光照射不同的半导体材料单元，造成各个超材料组的等效导电面积不同，导致该半导体材料结构对电磁波透波相位沿方位角方向变化，从而透射电磁波得到角动量调制或波束形态控制。

以图6a和图6b所示的情形为例，当对应于淡红色半导体材料的单色光照射多功能材料板时，被照射区域内所有半导体材料单元中的淡红色部分被激发响应，当对应于黄色半导体材料的单色光照射多功能材料板时，被照射区域内所有半导体材料单元中的黄色部分被激发响应。通过控制每种光的照射区域和照射时间实现对超材料的空间和时间编码。

需要说明的是，当半导体材料单元与照射的光波频率不匹配时，该半导体材料单元不能够对该光波进行吸波，而是会透波，这种情况下该半导体材料不被激发，对透射波无干扰作用。

实施例二

图7a和图7b所示结构为一个二维周期的超材料结构，能够实现对任意极化波的光控频选性吸收。图8a和8b是该超材料结构的结构尺寸图，图中的标注尺寸单位为毫米(mm)。

各部分的材料说明如下：

红色部分代表光控半导体材料1，例如PEDOT:Tos材料，该材料在红光照射下电导率为1500S/m，下文称为“导通”，无红光照射下电导率为0.001S/m，下文称为“不导通”。绿色部分代表光控半导体材料2，例如ZnTe:Ga掺杂Si，该材料在绿光照射下电导率为1000S/m，下文称为“导通”，无红光照射下电导率为0.0001S/m，下文称为“不导通”；蓝色部分代表光控半导体材料3，例如InGaN，其在蓝光照射下电导率为300S/m，下文称为“导通”，无蓝光照射下电导率为0.0001S/m，下文称为“不导通”；橙色部分材料为铜，电导率5.8e7S/m；灰色半透明部分为FR-4介质板，介电常数为ε_r＝4.4，损耗角正切为0.02；背面覆铜，铜电导率5.8e7S/m。

该超材料结构在控制红色、绿色、蓝色区域分别导通与否，能达到对不同频段的吸的不同吸波效果，仿真计算结果总结为如下表1、表2，表1为光控可调超表面吸波器对TE波的吸收谱，表2为光控可调超表面吸波器对TM波的吸收谱。

表1

表2

其中，在上述表1和表2中，“0”代表不导通，“1”代表导通。

实施例三

图9a和图9b所示结构为一个二维周期的超材料结构，能够实现对任意极化波的光控频选性吸收。图10a和10b是该超材料结构的结构尺寸图，图中的标注尺寸为：p＝8mm，L＝4.53mm，R₁＝2.1mm，R₂＝1.7mm，g₁＝g₂＝0.89mm，W＝0.5mm，h₁＝h₂＝0.035mm，t＝2mm。

各部分的材料说明如下：

红色部分代表光控半导体材料1，例如PEDOT:Tos材料，该材料在红光照射下电导率为1500S/m，下文称为“导通”，无红光照射下电导率为0.001S/m，下文称为“不导通”。绿色部分代表光控半导体材料3，例如InGaN，其在蓝光照射下电导率为300S/m，无蓝光照射下电导率为0.0001S/m，下文称为“不导通”；橙色部分材料为铜，电导率5.8e7S/m；蓝色部分为FR-4介质板，介电常数为ε_r＝4.4，损耗角正切为0.02；蓝色部分背面覆铜，电导率5.8e7S/m。

该超材料结构在控制红色、绿色区域分别导通与否，能达到对不同频段的吸的不同吸波效果，仿真计算结果总结参见图11a、11b、11c、11d、11e以及下表3。

表3为光控可调超表面吸波器对TE和TM波的吸收谱。

表3

其中，在上述表3中，“0”代表不导通，“1”代表导通。

在上述实施例二、三中，TE波的电矢量垂直于入射面，TM波的电矢量在入射面内。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本实用新型的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本实用新型的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本实用新型的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种光波段频控的时空可重构超材料系统，其特征在于，所述超材料系统包括：

超材料结构，其包括多个超材料单元，所述超材料结构应包含不少于两个不同频率光照响应的半导体材料单元；

馈光系统，其包括不少于两个能发出不同频率光的可调光源，所述可调光源的发光频率与所述光照响应半导体单元种类一一对应。

2.根据权利要求1所述的超材料系统，其特征在于，所有所述超材料单元都处于同一个面内，所述面为平面或曲面。

3.根据权利要求1所述的超材料系统，其特征在于，所有所述超材料单元不完全处于同一个面内，所述面为平面或曲面。

4.根据权利要求1所述的超材料系统，其特征在于，所述半导体材料单元为二维的半导体材料单元。

5.根据权利要求4所述的超材料系统，其特征在于，所述二维的半导体材料单元包括至少两种光照响应的半导体结构。

6.根据权利要求1所述的超材料系统，其特征在于，所述半导体材料单元为三维的半导体材料单元。

7.根据权利要求6所述的超材料系统，其特征在于，所述三维的半导体材料单元包括由上至下依次层叠设置的多个半导体材料层。

8.根据权利要求7所述的超材料系统，其特征在于，所述半导体材料层包括至少两种光照响应的半导体结构。

9.根据权利要求6所述的超材料系统，其特征在于，所述三维的半导体材料单元包括由内至外依次层叠设置的多个半导体材料层。

10.根据权利要求9所述的超材料系统，其特征在于，所述半导体材料层包括至少一个光照响应的半导体结构。