CN215008587U - 一种太赫兹波段的超表面类电磁诱导透明共振装置 - Google Patents

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王道凡
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Abstract

本实用新型公开了一种太赫兹波段的超表面类电磁诱导透明共振装置，通过所述介质板间隔片衬底、所述第一双螺旋结构和所述第二双螺旋结构组合构成共振单元，再由若干组所述共振单元周期排布形成超表面类谐振装置，当共振装置的结构参数发生改变时，由于明模式和暗模式的共振频率对结构参数变化的灵敏度基本保持一致，故而类EIT共振依然可以实现，对比其它超表面类电磁诱导透明共振装置，该结构参数的鲁棒性有利于器件加工和工程实际应用，实现了对结构参数变化不敏感的类电磁诱导透明现象共振装置和对于在超表面结构参数不变的情况下进行可调类电磁诱导透明现象。

Description

一种太赫兹波段的超表面类电磁诱导透明共振装置
技术领域
本实用新型涉及太赫兹技术领域，尤其涉及一种太赫兹波段的超表面类电磁诱导透明共振装置。
背景技术
太赫兹的波段处于红外与微波之间，一般定义在0～10THz。一般自然材料不会对太赫兹波产生响应，人工电磁超表面是一种周期性的人工微原子结构，它的传输特性会根据特殊结构设计和环境条件的不同发生改变，可以创造出独特新颖的功能器件，从而实现对电磁波的传播随心所欲的操控。电磁诱导透明现象，英文名称Electromagneticallyinduced Transparency，简写为EIT。是原子三能级系统中发生量子干涉效应，在原本不透明介质的宽带吸收电磁波谱上，由于量子干涉效应而出现了窄带的透明窗口。传统实现EIT需要超低温和高能量等十分严格的实验条件才能产生EIT效应。而超表面通过明模和暗模共振相互相消干涉作用，可以在通常条件下就可以产生类EIT效应。
然而，当超表面共振装置的结构参数变化时，会造成明模和暗模共振频率对参数变化的灵敏度不同，造成它们间的较大失谐，使类EIT效应消失，且大部分超表面结构的非可调。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种太赫兹波段的超表面类电磁诱导透明共振装置，实现对结构参数变化不敏感的类电磁诱导透明现象共振装置和对于在超表面结构参数不变的情况下进行可调类电磁诱导透明现象。
为实现上述目的，本实用新型采用的一种太赫兹波段的超表面类电磁诱导透明共振装置，包括若干组共振单元，若干组所述共振单元周期性排布，每组所述共振单元包括介质板间隔片衬底、第一双螺旋结构和第二双螺旋结构，所述第一双螺旋结构和所述第二双螺旋结构均与所述介质板间隔片衬底固定连接，并分别位于所述介质板间隔片衬底的侧方，所述第一双螺旋结构和所述第二双螺旋结构以所述介质板间隔片衬底为中心呈对称设置；
所述第一双螺旋结构包括第一介质螺旋结构和第二介质螺旋结构，所述第一介质螺旋结构和所述第二介质螺旋结构的中心在同一条竖直线段上，所述第一介质螺旋结构为从内向外延展的逆时针螺旋，圈数N为2.5，所述第二介质螺旋结构的形状为所述第一介质螺旋结构绕原点旋转180°。
其中，所述第二双螺旋结构包括第三介质螺旋结构和第四介质螺旋结构，所述第三介质螺旋结构和所述第四介质螺旋结构的中心在同一条竖直线段上，所述第三介质螺旋结构为从内向外延展的逆时针螺旋，圈数N为2.5，所述第四介质螺旋结构的形状为所述第三介质螺旋结构绕原点旋转180°。
其中，所述共振单元沿x轴和y轴排布的周期p数值相同且小于工作波段的太赫兹波长，所述第一双螺旋结构与所述第二双螺旋结构的厚度相同。
其中，所述第一介质螺旋结构、所述第二介质螺旋结构、所述第三介质螺旋结构和所述第四介质螺旋结构的相邻螺旋臂的间距g的范围值为16～30μm，螺旋臂的臂宽w的范围值为40～50μm，内半径r的范围值为0～10μm，外半径R的范围值为197～233μm，螺旋增长率b由相邻螺旋臂的间距g与螺旋臂的臂宽w之和除以2π确定，同侧两螺旋的中心点相距的范围为400～420μm，螺旋厚度的范围为130～150μm，间隔片衬底厚度400～500μm。
其中，所述第一双螺旋结构和所述第二双螺旋结构的介电常数值相等且大于10，所述介质板衬底的介电常数小于所述第一双螺旋结构和所述第二双螺旋的介电常数，且介电常数大于1.5且小于等于3。
本实用新型的一种太赫兹波段的超表面类电磁诱导透明共振装置，通过所述介质板间隔片衬底、所述第一双螺旋结构和所述第二双螺旋结构组合构成共振单元，再由若干组所述共振单元周期排布形成超表面类谐振装置，当共振装置的结构参数发生改变时，如螺旋臂的宽度、螺旋相领臂间隙或螺旋的高度在较大范围内变化时，由于明模式和暗模式的共振频率对结构参数变化的灵敏度基本保持一致，故而类EIT共振依然可以实现，对比其它超表面类电磁诱导透明共振装置，该结构参数的鲁棒性有利于器件加工和工程实际应用，实现了对结构参数变化不敏感的类电磁诱导透明现象共振装置和对于在超表面结构参数不变的情况下进行可调类电磁诱导透明现象。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本实用新型的一种太赫兹波段的超表面类电磁诱导透明共振装置的二维周期单元结构主视图。
图2是本实用新型的一种太赫兹波段的超表面类电磁诱导透明共振装置的二维周期单元结构后视图。
图3是本实用新型的一种太赫兹波段的超表面类电磁诱导透明共振装置的共振单元的左视图。
图4是本实用新型的实施例在1120-1200μm的透过率曲线图。
图5是本实用新型的实施例的螺旋介质臂宽w在一定范围内发生改变时的透过率曲线图。
图6是本实用新型的实施例的螺旋介质相邻臂间距g在一定范围内发生改变时的透过率曲线图。
图7是本实用新型的实施例的螺旋介质厚度h在一定范围内发生改变时的透过率曲线图。
图8是本实用新型的实施例随光敏硅螺旋电导率变化在一定范围内发生改变时的透过率曲线图。
1-共振单元、11-介质板间隔片衬底、12-第一双螺旋结构、121-第一介质螺旋结构、122-第二介质螺旋结构、13-第二双螺旋结构、131-第三介质螺旋结构、132-第四介质螺旋结构。
具体实施方式
下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的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，在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅图1至图3，本实用新型提供了一种太赫兹波段的超表面类电磁诱导透明共振装置，包括若干组共振单元1，若干组所述共振单元1周期性排布，每组所述共振单元1包括介质板间隔片衬底11、第一双螺旋结构12和第二双螺旋结构13，所述第一双螺旋结构12和所述第二双螺旋结构13均与所述介质板间隔片衬底11固定连接，并分别位于所述介质板间隔片衬底11的侧方，所述第一双螺旋结构12和所述第二双螺旋结构13以所述介质板间隔片衬底11为中心呈对称设置；
所述第一双螺旋结构12包括第一介质螺旋结构121和第二介质螺旋结构122，所述第一介质螺旋结构121和所述第二介质螺旋结构122的中心在同一条竖直线段上，所述第一介质螺旋结构121为从内向外延展的逆时针螺旋，圈数N为2.5，所述第二介质螺旋结构122的形状为所述第一介质螺旋结构121绕原点旋转180°。
所述第二双螺旋结构13包括第三介质螺旋结构131和第四介质螺旋结构132，所述第三介质螺旋结构131和所述第四介质螺旋结构132的中心在同一条竖直线段上，所述第三介质螺旋结构131为从内向外延展的逆时针螺旋，圈数N为2.5，所述第四介质螺旋结构132的形状为所述第三介质螺旋结构131绕原点旋转180°。
所述共振单元1沿x轴和y轴排布的周期p数值相同且小于工作波段的太赫兹波长，所述第一双螺旋结构12与所述第二双螺旋结构13的厚度相同。
所述第一介质螺旋结构121、所述第二介质螺旋结构122、所述第三介质螺旋结构131和所述第四介质螺旋结构132的相邻螺旋臂的间距g的范围值为16～30μm，螺旋臂的臂宽w的范围值为40～50μm，内半径r的范围值为0～10μm，外半径R的范围值为197～233μm，螺旋增长率b由相邻螺旋臂的间距g与螺旋臂的臂宽w之和除以2π确定，同侧两螺旋的中心点相距的范围为400～420μm，螺旋厚度的范围为130～150μm。
所述第一双螺旋结构12和所述第二双螺旋结构13的介电常数值相等且大于10，所述介质板衬底的介电常数小于所述第一双螺旋结构12和所述第二双螺旋的介电常数，且介电常数大于1.5且小于等于3，间隔片衬底厚度400～500μm。
请参阅图4至图8，本实用新型提供了一种太赫兹波段的超表面类电磁诱导透明共振装置的具体实施例，实施例包括四个高介电常数的介质光敏硅螺旋结构，设置在二氧化硅玻璃间隔片衬底两侧上，形成一个共振装置单元，其中，单元硅介质螺旋包括1，2号硅螺旋和3，4号硅螺旋。入射平面波垂直入射到共振装置上，其电场沿着x方向极化，波矢k沿着-z的方向。
将本实用新型所述的一种太赫兹波段的超表面类电磁诱导透明共振装置工作于太赫兹波段1160微米附近，间隔片基底的材料为石英玻璃，介电常数为2.1025；螺旋形介质共振单元的材料为光敏硅，介电常数为11.9，光敏硅的电导率会随红外泵浦光源的光强变化而发生改变。当光敏硅电导率为0S/m时，表示没有红外泵浦光源。螺旋介质硅共振单元沿x轴和y轴的周期大小为Px＝Py＝P＝900μm，小于工作光波的波长。螺旋臂宽为w＝45μm，相领臂的间距为g＝21μm,内半径为r＝5μm，外半径为R＝215μm，两螺旋中心的距离为d＝420μm，螺旋增长率b为(w+g)/(2*pi)，螺旋介质的高度h＝120μm，间隔片介质的高度H＝500μm。使用电磁仿真软件CST仿真在1120-1200μm的透过率曲线如图4所示。从图4可以看出，超表面类电磁诱导透明共振装置在此频率范围内产生类EIT现象，其透明窗口中心波长为1161.5μm，其共振峰幅值可达0.983，根据公式Q＝λ0/Δλ进行计算(其中，λ0为共振峰处对应的共振波长，Δλ表示电磁诱导透明窗口中共振峰达到最大幅值的一半时对应的共振频率的宽度，即半高宽FWHM)共振品质因子Q。经计算，此时品质因子可达4646。对应的群折射率的值可根据公式ng＝λ2/(FWHM*4*h)进行估算(其中，ng表示群折射率，λ表示共振峰处对应的共振波长，FWHM表示EIT窗口中共振峰达到最大幅值的一半时对应的共振波长宽度，h表示螺旋形介质共振单元的高度)。经计算，共振峰处对应的群折射率可达11242。
当r＝5μm，d＝420μm，H＝500μm和p＝900μm，且光敏硅电导率为0S/m时，分别改变此超表面共振装置的不同结构参数，研究其变化对类EIT结果的影响。首先保持结构的其他参数不变，只改变螺旋形介质的臂宽w的大小，经CST电磁仿真计算表明，当臂宽w的参数变化范围在40～48μm之间时，由于明模式和暗模式的共振波长对参数w变化的灵敏度基本一致，即其失谐很小，相消干涉作用后始终保持类EIT的效应的良好结果。图5所示为分别选取相邻臂间距w＝40，45，48μm时，经CST电磁计算得到的透过率曲线图。从图5中可以看出，随着相邻臂间距w的增加，类EIT透射共振波长会出现红移现象，但类EIT透明窗效果保持不变，透过率保持在94％以上。
同理，保持共振单元的其它参数不变，只改变螺旋形介质的相邻臂间距g的大小，经CST电磁仿真计算表明，当相邻臂间距g的参数变化范围在15～25μm之间时，由于明模式和暗模式的共振波长对参数g变化的灵敏度基本一致，即其失谐很小，相消干涉作用后始终保持类EIT的效应的良好结果。图6所示为分别选取臂间距g＝15，20，25μm时，经CST电磁计算得到的透过率曲线图。从图6中可以看出，随着臂宽g的线性增加，类EIT透射共振波长会出现红移现象，但类EIT透明窗效果保持不变，透过率保持在95％以上。
同理，其它参数不变，只改变螺旋形介质的高度h的大小，经CST电磁仿真计算表明，当高度h的参数变化范围在110～130μm之间时，由于明模式和暗模式的共振频率对参数h变化的灵敏度基本一致，即其失谐很小，相消干涉作用后始终保持类EIT的效应的良好结果。图7所示为分别选取高度h＝110，120，130μm时，经CST电磁计算得到的透过率曲线图。从图7中可以看出，随着高度h的线性增加，类EIT透射共振波长会出现红移现象，但类EIT透明窗效果保持不变，透过率保持在98％以上。
最后，在保持类EIT装置的结构参数不变的情况下，对EIT共振的可调性进行研究，当螺旋形光敏硅在红外泵浦光源照射下，其电导率会发生改变，随着红外泵浦光源光强的增大，电导率随之增大。经CST电磁仿真计算表明，当电导率σ的参数变化范围在0～5S/m之间时，由于损耗吸收的作用，可对EIT窗口的透过率幅值进行调控，可实现快速光开关的工程应用。图8所示为分别选取电导率σ＝0，1，2，5S/m时，经CST电磁计算得到的透过率曲线图。从图8中可以看出，随着电导率σ的增加，类EIT透射共振波长保持不变，但类EIT透明窗透过率振幅可调，最小和最大透过率分别为5％，98％。
综上结果所述，该全介质超表面类EIT共振装置具有结构参数鲁棒性，即当结构参数在较大范围内变化时，不会影响类EIT结果，还能通过红外泵浦光源照射光明硅以实现对EIT窗口的动态可调，对比其他类EIT共振装置，该优点将有益于器件加工和实现类EIT的工程应用，如慢光、快速光开关、滤波器等高价值应用。另外，值得注意的是本实用新型所述的一种太赫兹波段的超表面类电磁诱导透明共振装置还可以通过缩比定理工作于、微波等波段。
以上所揭露的仅为本实用新型一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本实用新型权利要求所作的等同变化，仍属于实用新型所涵盖的范围。

Claims (5)

1.一种太赫兹波段的超表面类电磁诱导透明共振装置，其特征在于，
包括若干组共振单元，若干组所述共振单元周期性排布，每组所述共振单元包括介质板间隔片衬底、第一双螺旋结构和第二双螺旋结构，所述第一双螺旋结构和所述第二双螺旋结构均与所述介质板间隔片衬底固定连接，并分别位于所述介质板间隔片衬底的侧方，所述第一双螺旋结构和所述第二双螺旋结构以所述介质板间隔片衬底为中心呈对称设置；
所述第一双螺旋结构包括第一介质螺旋结构和第二介质螺旋结构，所述第一介质螺旋结构和所述第二介质螺旋结构的中心在同一条竖直线段上，所述第一介质螺旋结构为从内向外延展的逆时针螺旋，圈数N为2.5，所述第二介质螺旋结构的形状为所述第一介质螺旋结构绕原点旋转180°。
2.如权利要求1所述的太赫兹波段的超表面类电磁诱导透明共振装置，其特征在于，
所述第二双螺旋结构包括第三介质螺旋结构和第四介质螺旋结构，所述第三介质螺旋结构和所述第四介质螺旋结构的中心在同一条竖直线段上，所述第三介质螺旋结构为从内向外延展的逆时针螺旋，圈数N为2.5，所述第四介质螺旋结构的形状为所述第三介质螺旋结构绕原点旋转180°。
3.如权利要求2所述的太赫兹波段的超表面类电磁诱导透明共振装置，其特征在于，
所述共振单元沿x轴和y轴排布的周期p数值相同且小于工作波段的太赫兹波长，所述第一双螺旋结构与所述第二双螺旋结构的厚度相同。
4.如权利要求3所述的太赫兹波段的超表面类电磁诱导透明共振装置，其特征在于，
所述第一介质螺旋结构、所述第二介质螺旋结构、所述第三介质螺旋结构和所述第四介质螺旋结构的相邻螺旋臂的间距g的范围值为16～30μm，螺旋臂的臂宽w的范围值为40～50μm，内半径r的范围值为0～10μm，外半径R的范围值为197～233μm，螺旋增长率b由相邻螺旋臂的间距g与螺旋臂的臂宽w之和除以2π确定，同侧两螺旋的中心点相距的范围为400～420μm，螺旋厚度的范围为130～150μm，间隔片衬底厚度400～500μm。
5.如权利要求4所述的太赫兹波段的超表面类电磁诱导透明共振装置，其特征在于，
所述第一双螺旋结构和所述第二双螺旋结构的介电常数值相等且大于10，所述介质板衬底的介电常数小于所述第一双螺旋结构和所述第二双螺旋的介电常数，且介电常数大于1.5且小于等于3。
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