CN219143131U - 一种偏振不敏感的宽带可调太赫兹吸收器 - Google Patents

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李超
陈文雅
王东
高嵩
郭海君
郭世敬
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Abstract

本实用新型属于太赫兹吸收器技术领域，具体为一种偏振不敏感的宽带可调太赫兹吸收器，包括多个呈周期性排列的太赫兹吸收器单元，每个太赫兹吸收器单元自上而下包括三层结构，分别是用于吸收太赫兹电磁波的顶层，用于增强太赫兹电磁波吸收的介质层以及用于反射太赫兹电磁波的底层；所述顶层的形状为中心对称图形，包括一个位于所述太赫兹吸收器单元中心位置的十字形状和四个分别位于所述太赫兹吸收器单元四角处的四分之一圆盘。本实用新型吸收器使用较薄的结构实现了宽带吸收，中心对称的图案使得此结构偏振不敏感，通过调节石墨烯的费米能量，可以实现对吸收强度的调节。

Description

一种偏振不敏感的宽带可调太赫兹吸收器
技术领域
本实用新型属于太赫兹吸收器技术领域，尤其涉及一种偏振不敏感的宽带可调太赫兹吸收器。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本实用新型相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
太赫兹波是频率为0.1-10THz的电磁波，在长波段与毫米波相重合，在短波段与红外光相重合。在此波段内，不能完全用微波技术或光学理论研究，因此形成了“太赫兹空隙”。随着科技的进步，激光技术的发展为太赫兹研究提供了稳定可靠的太赫兹源。光学技术在太赫兹高频段取得巨大进步的同时，太赫兹低频波段的研究也一直在进行，“太赫兹空隙”正在不断地被填充。近年来，由于太赫兹波独特的性质，在成像、医疗、安检、通信、军事安全等领域的广阔应用前景而受到广泛研究。为了实现完整的太赫兹系统，人们不断开发各种各样的器件，如光源、探测器、调制器、开关和吸收器。
吸收器是太赫兹研究发展的重要方向之一。窄带吸收器、多峰吸收器和宽带吸收器已被开发用于不同的领域，窄带和多频吸收器可用于传感、滤波等领域，宽带吸收器可用于太赫兹开关和功率收集领域。但是一些由自然界中的贵金属制成的吸收器其参数固定不可调，工作范围较小，只能在某固定的吸收率下工作，应用受限。
实用新型内容
为克服上述现有技术的不足，本实用新型提供了一种可以通过偏置电压来调节吸收率的宽带偏振不敏感太赫兹吸收器，具有结构紧凑，工作频带宽，制造简单等优点。
为实现上述目的，本实用新型的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
本实用新型第一方面提供了一种偏振不敏感的宽带可调太赫兹吸收器，包括多个呈周期性紧密排列的太赫兹吸收器单元，每个太赫兹吸收器单元自上而下包括三层结构，分别是用于吸收太赫兹电磁波的顶层，用于增强太赫兹电磁波吸收的介质层以及用于反射太赫兹电磁波的底层；
所述顶层的形状为中心对称图形，包括一个位于所述太赫兹吸收器单元中心位置十字形状的和四个分别位于所述太赫兹吸收器单元四角处的四分之一圆盘。
进一步的，所述十字形状的长度为25-35μm，宽度为15-25μm；所述四分之一圆盘的中心分别位于所述太赫兹吸收器单元的四个顶点上，半径为12-20μm。
进一步的，所述顶层的材料为石墨烯。
进一步的，所述顶层的厚度为0.1μm。
进一步的，所述介质层的材料为二氧化硅。
进一步的，所述介质层的厚度为26-30μm，相对介电常数为3.4。
进一步的，所述底层的材料为金。
进一步的，所述底层的厚度为200nm。
进一步的，所述太赫兹电磁波的频率范围为0.2THz-2.6THz。
进一步的，所述太赫兹吸收器由N×N个太赫兹吸收器单元组成，N为正整数，每个所述太赫兹吸收器单元的尺寸为70μm×70μm。
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
本实用新型吸收器使用较薄的结构实现了宽带吸收，中心对称的图案使得此结构偏振不敏感，通过调节石墨烯的费米能量，可以实现对吸收强度的调节；解决了现有吸收器其参数固定不可调，应用受限的问题。
本实用新型附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
构成本实用新型的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。
图1是实施例1中的偏振不敏感的宽带可调太赫兹吸收器的三维结构示意图；
图2是实施例1中的偏振不敏感的宽带可调太赫兹吸收器的俯视图；
图3是实施例1中的偏振不敏感的宽带可调太赫兹吸收器的侧视图；
图4是实施例1中的当石墨烯费米能量为0.5eV时的吸收曲线图；
图5是实施例1中的当石墨烯费米能量为0.5eV时，TE与TM模式下的的吸收曲线图；
图6是实施例1中的当石墨烯费米能量为0.3-0.7eV时的吸收曲线图；
图7是实施例1中的吸收器在不同入射电磁波偏振角度下的吸收图。
图中，1、顶层，2、介质层，3、底层。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
实施例一
如图1至图3所示，本实用新型提出一种偏振不敏感的宽带可调太赫兹吸收器，包括多个呈周期性排列的太赫兹吸收器单元，每个太赫兹吸收器单元自上而下包括三层结构，分别是用于吸收太赫兹电磁波的顶层，用于增强太赫兹电磁波吸收的介质层以及用于反射太赫兹电磁波的底层；
具体的，太赫兹吸收器由N×N个太赫兹吸收器单元组成，N为正整数，每个所述太赫兹吸收器单元的尺寸为70μm×70μm；
顶层的材料为石墨烯，顶层图案化石墨烯厚度为0.1μm，顶层的形状为中心对称图形，中心对称的图案化图形由十字形状与四个四分之一圆组成；十字中心与太赫兹吸收器单元中心重合，十字形状的长度为25-35μm，宽度为15-25μm；四个四分之一圆分别以太赫兹吸收器单元的四个顶点为中心，半径为12-20μm；石墨烯的电导率可以用Drude模型来描述：
Figure BDA0004018123620000041
/>
其中e是电子电荷，h为普朗克常数，ω为角频率；Ef是费米能级，τ为弛豫时间。本实施例中吸收器中Ef为0.3-0.7eV，τ为0.2ps；i是虚数单位；
介质层采用二氧化硅材料，厚度为26-30μm，相对介电常数为3.4。
底层采用金材料，厚度为200nm，使用Drude模型描述其介电常数：
Figure BDA0004018123620000042
其中wp为等离子频率，取1.37×1016[1/s]；wt为碰撞频率，取0.41×1014[1/s]。
该太赫兹吸收器可以在0.2THz-2.6THz范围内实现宽带吸收。该吸收器对偏振不敏感，对于TE与TM模式，在相同外界条件下吸收性能稳定，无明显差异。
太赫兹吸收器的吸收可以通过下列公式计算:
A(w)＝1-R(w)-T(w)
其中，R(w)为反射率，T(w)为透射率。当底层金属的厚度足够厚时，在测试频段透射率T(w)为零。此时吸收率可以简化为:
A(w)＝1-R(w)
当电磁波入射之后，介质的上下两个表面相当于反射镜，入射电磁波在两个表面上都有反射，当两个反射镜反射回来的电磁波，在幅度相等，相位相反时，相互抵消，R(w)为零，此时可以达到完美吸收。
下面结合具体仿真模型进一步说明：
使用有限元方法对模型进行参数优化仿真，优化后的参数如图1-3：单元结构的周期为70μm；顶层图案化结构中的十字结构长轴长为30μm，短轴长为18μm，石墨烯厚度为0.1μm；二氧化硅介质层厚度为30μm；底层金厚度为200nm，将太赫兹波全部反射。
图中所示为一个太赫兹吸收器单元，所以将X和Y方向设为周期性边界来模拟N×N阵列。太赫兹波在Z方向垂直入射，石墨烯费米能量为0.5eV，弛豫时间为0.2ps。吸收效果如图4所示：在0.9-1.85THz范围内达到了80％以上的吸收率，在1.05THz处吸收率达到99.4％，在1.65THz处吸收率达到了99.6％。图5为TE和TM模式下的吸收率，无明显差别。
图6展示了不同费米能量下的吸收效果，由图中可以看出，当费米能量为0.5eV时，吸收效果最好。当费米能量为0.3eV时，在0.85-1.6THz范围内以实现80％以上的吸收率。当费米能量为0.7eV时，在0.95-2.05THz范围内达到了80％以上的吸收率，在1.05THz处吸收率达到89.9％，在1.85THz处吸收率达到了97.9％。
图7表示了在不同偏振角下的吸收效果，可以看出，此吸收器对于偏振角度不敏感，在大偏振角度下仍然具有良好的宽带吸收特性。
上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种偏振不敏感的宽带可调太赫兹吸收器，其特征在于，包括多个呈周期性排列的太赫兹吸收器单元，每个太赫兹吸收器单元自上而下包括三层结构，分别是用于吸收太赫兹电磁波的顶层，用于增强太赫兹电磁波吸收的介质层以及用于反射太赫兹电磁波的底层；
所述顶层的形状为中心对称图形，包括一个位于所述太赫兹吸收器单元中心位置的十字形状和四个分别位于所述太赫兹吸收器单元四角处的四分之一圆盘；
所述十字形状的长度为25-35μm，宽度为15-25μm；所述四分之一圆盘的中心分别位于所述太赫兹吸收器单元的四个顶点上，半径为12-20μm；
所述顶层的材料为石墨烯，顶层的厚度为0.1μm。
2.根据权利要求1所述的一种偏振不敏感的宽带可调太赫兹吸收器，其特征在于，所述介质层的材料为二氧化硅。
3.根据权利要求1所述的一种偏振不敏感的宽带可调太赫兹吸收器，其特征在于，所述介质层的厚度为26-30μm，相对介电常数为3.4。
4.根据权利要求1所述的一种偏振不敏感的宽带可调太赫兹吸收器，其特征在于，所述底层的材料为金。
5.根据权利要求4所述的一种偏振不敏感的宽带可调太赫兹吸收器，其特征在于，所述底层的厚度为200nm。
6.根据权利要求1所述的一种偏振不敏感的宽带可调太赫兹吸收器，其特征在于，所述太赫兹电磁波的频率范围为0.2THz-2.6THz。
7.根据权利要求1所述的一种偏振不敏感的宽带可调太赫兹吸收器，其特征在于，所述太赫兹吸收器由N×N个太赫兹吸收器单元组成，N为正整数，每个所述太赫兹吸收器单元的尺寸为70μm×70μm。
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