CN107479215A - 一种太赫兹超材料调制方法及其产品 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太赫兹超材料调制方法及其产品，属于超材料领域，方法为：首先，在PDMS材质的基底上制备周期性圆柱形空气腔，接着，在空气腔上方设置柔性介质PDMS薄膜，PDMS薄膜上设置有超材料，然后，加入外界压强，使空气腔上方的柔性介质PDMS薄膜发生凸起或凹陷，进而改变PDMS薄膜上超材料的几何参数，最终对入射太赫兹波的响应进行调制。本发明还提供实现如上方法的产品，其包括超材料结构和PDMS基底，超材料结构设置在PDMS基底上，超材料包括PDMS薄膜和设置在该PDMS薄膜的二维周期阵列，PDMS基底上设置有期性圆柱形空气腔。本发明调制方法简便可靠、易于控制、对线偏光及圆偏振光的调制性能较强。

Description

一种太赫兹超材料调制方法及其产品

技术领域

本发明属于超材料领域，更具体地，涉及一种太赫兹超材料调制方法及其产品。

背景技术

超材料是一种新型的周期性结构人工复合材料。由于其等效介电常数和磁导率可以通过计算和设计而得到，进而可以表现出奇异的电磁特性，得到了研究人员的广泛关注。

超材料一般由金属设计成开口环、矩形条、渔网等亚波长周期性阵列结构，并镶嵌在树脂、陶瓷或氧化物等绝缘材料中所构成。在谐振频率下，这些结构对入射的电磁波有着很强的耦合，进而实现对电磁波的调制，从而改变其传输特性。通过设计周期性结构单元，可以得到需要的等效介电常数和等效磁导率，从而实现自然材料所不具备的超常物理特性，比如负折射率、负磁导率、负介电常数、逆多普勒效应等。

由于缺少有效的波源和探测器，使得太赫兹波的研究落后于其它波段的研究，该波段曾经被称为太赫兹空隙。而超材料可以通过设计结构尺寸使其对太赫兹波进行响应，所以超材料对太赫兹波段的研究有极其重要的作用。

现有的文献中，有许多报道超材料结构的调制方法，如文献《Photo-excitedbroadband tunable terahertz metamaterial absorber》中，在仿真中使用侧面光泵浦改变开口环处硅的载流子浓度，通过改变谐振模态实现了超材料吸波器大范围调制。该调制范围大，得益于在调制中改变了开口环的谐振模式，通过电场分布图可以较好的解释调制变化，同时由于是通过自由载流子引起电磁性质的变化，所以驱动时间可以达到皮秒以下。但是，在开口环处嵌入硅的工艺难度较大，很难制备出实物。再如文献《Design of atunable terahertz narrowband metamaterial absorber based on anelectrostatically actuated MEMS cantilever and split ring resonator array》使用MEMS工艺制作的悬臂梁，通过电压控制悬臂梁处的等效电容，进而对吸收特性进行调控。使用静电驱动调控范围较大，而且吸收率在调制过程中能达到近似完美吸收。但缺点同样是制作工艺复杂，很难制作出实物。但总的来说，这类文献提到的结构只能局限于对入射光透射特性的调制，不能进行偏振调制。

也有文献使用PDMS柔性介质作为超材料的基底，如文献《Mechanically tunableterahertz metamaterials》中采用PDMS作为“工”字型超材料基底，通过拉伸的方式改变“工”字型结构的间距，最终对入射太赫兹波的透射率进行调制。

本文指出，PDMS具有高弹性特性，有着合适的损耗因子，而且通过反复实验验证了PDMS拉伸调制的耐用性，是作为超材料的一种理想基底，但是该超材料结构同样只局限于透射特性的调制。

也有文献采用螺旋线结构，如文献《Enantiomeric switching of chiralmetamaterial for terahertz polarization modulation employing verticallydeformable MEM spirals》中使用流动的气体改变螺旋线圈的形状，进而对入射的线偏光进行偏转调制，最终偏转角最高达28度。但是，由于没有材料支撑螺旋线结构，在调制时螺旋线的形变不规则。再如，文献《Kan T,Isozaki A,Kanda N,et al.Spiral metamaterialfor active tuning of optical activity[J].Applied Physics Letters,2013,102(22):221906.》通过静电驱动来使螺旋结构产生变形，最终对入射的线偏光进行偏振调制。但是其对线偏光的调制性能较弱。

因此，需要开发一种新型太赫兹超材料调制方法及其产品，要求其调制方法简便、可靠、易于控制、并且对线偏光及圆偏光的调制性能较强。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种太赫兹超材料调制方法及其产品，其目的在于，设计一种由PDMS制备的周期性圆柱形空气腔，加入外界压强使空气腔上方的柔性介质PDMS圆膜发生凸起或凹陷，进而改变PDMS薄膜上超材料的几何参数，最终对入射太赫兹波的响应进行调制，其调制方法简便、可靠、易于控制、并且对线偏光及圆偏光的调制性能较强。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种太赫兹超材料调制方法，首先，在PDMS材质的基底上制备周期性圆柱形空气腔，接着，在空气腔上方设置柔性介质PDMS薄膜，PDMS薄膜上设置有超材料，然后，加入外界压强，使空气腔上方的柔性介质PDMS薄膜发生凸起或凹陷，进而改变PDMS薄膜上超材料的几何参数，最终对入射太赫兹波的响应进行调制。

在本发明的一个实施例中，PDMS薄膜上超材料为任意导体或者半导体制备的二维周期阵列。

在本发明的一个实施例中，PDMS薄膜上超材料为金属金制备的二维周期阵列。

在本发明的一个实施例中，任意导体或者半导体制备的二维周期阵列、或者金属金制备的二维周期阵列与周期性圆柱形空气腔一一对应。

按照本发明的第二个方面，还提供一种实现如上所述方法的一种太赫兹超材料调制方法产品，其包括超材料结构和PDMS基底，超材料结构设置在PDMS基底上，所述超材料包括PDMS薄膜和设置在该PDMS薄膜的二维周期阵列，所述二维周期阵列材质为导体或者半导体，PDMS基底上设置有期性圆柱形空气腔，周期性圆柱形空气腔与二维周期阵列一一对应。

在本发明的一个实施例中，超材料结构和PDMS基底通过键合的方式连接为一体。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明中设计一种由PDMS制备的周期性圆柱形空气腔，加入外界压强使空气腔上方的柔性介质PDMS圆膜发生凸起或凹陷，进而改变PDMS薄膜上超材料的几何参数，最终对入射太赫兹波的响应进行调制。其制作工艺简单，易于制备。通过调整PDMS圆膜发生凸起或凹陷程度，就可进行调制，其调制方法简便、可靠，重复性强。此外，其调制性能优良，调制带宽较宽，且对线偏振光及圆偏振光都能实现调制。

附图说明

图1～3是调制结构的说明，其中，图1为二维金属阵列-PDMS介质层-金属层三层结构示意图，是上方的超材料结构，图2是挖出空气腔的PDMS基底示意图，可在该PDMS基底上设置驱动器，图3是PDMS基底与超材料键合后的示意图，是把两者键合在一起的整体结构。

图4是实例1中提到的周期性手性螺旋形结构单元。

图5是根据螺旋结构变形而定义不同的手性示意图，图5(a)为右手螺旋结构，图5(b)为左手螺旋结构。

图6是螺旋结构对线偏光进行偏转调制。

图7和图8是螺旋结构对圆偏光进行透射反射的调制，其中，如图7所示，当入射光为左旋圆偏光时，由于与螺旋结构的旋性不同，大部分光会反射回去；如图8所示，当入射光为右旋圆偏光时，由于与螺旋结构的旋性相同，大部分光会透过。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明主要提出一种把太赫兹调控手段与超材料结合的方法，提出了一种新型调制方式，使太赫兹调控和超材料特性结合起来，设计出一种周期性圆柱形空气腔，在周期性圆柱形空气腔上加入外界压强使空气腔上方的柔性介质PDMS(聚二甲基硅氧烷)圆形薄膜发生凸起或凹陷，进而改变PDMS薄膜上超材料的几何参数，最终对超材料电磁特性进行调制。

本申请提出了一种新颖的超材料调控方式，实现方案是通过外力使介质层发生形变，进而改变金属层周期单元中的几何参数，达到调制谐振频率的目的。

实现这种调制方法的产品结构可以分成两部分：上部分是超材料结构，由二维金属周期阵列与PDMS薄膜构成，见图1；下部分是用PDMS做的基底，见图2。使用相关工艺在PDMS基底表面制备出规格相同的周期性圆孔阵列，这些圆孔结构与超材料顶部的二维金属层结构相对应。最后把超材料结构和PDMS基底键合在一起，构成了最终如图3的设计结构。其中，图1～3是调制结构的说明，图1为二维金属阵列-PDMS介质层二层结构示意图，是上方的超材料结构，图2是挖出空气腔的PDMS基底示意图，可以在该基地层上设置驱动器，图3是PDMS基底与超材料键合后的示意图，是把两者键合在一起的整体结构。

在调制过程中，调制方法如下：

首先，通过外加压强，例如把器件封装好加入气压或水压，使得压强直接作用在空气腔处的PDMS圆膜上，使其整体结构发生凸起或凹陷，进而改变超材料结构的几何参数，最终，对入射到该结构的电磁波进行调控。其中，空气腔处的PDMS薄膜由于没有与基底接触而会发生形变。而其它地方因为与基底接触，所以形变量小。

为了更进一步说明本发明方法和产品太赫兹可调性能的优越性，下面结合具体的实施例进一步详细说明如下：

实施例1

本实施例采用一种超材料偏振调制结构，这种结构称为手性螺旋形结构，结构示意图见图4。图4中，二维周期阵列结构单元的长和宽分别为Px、Py。

在超材料结构的第一层中，由螺旋线构成，螺旋结构位于PDMS基底圆柱形空气腔的正上方，且螺旋中心在圆柱形空气腔的对称轴线上。螺旋形结构材料使用的是金，厚度为45nm。螺旋形结构线宽2μm，螺旋线的内半径为2μm、外半径为25μm。第二层是电介质层，材料使用的是PDMS，厚度t_sub是4μm，其中，PDMS圆膜的半径为R为25μm。

通过改变PDMS圆膜的外界压强来对超材料的偏振性质进行调控。由图5可以看到，图5(a)为右手螺旋结构，图5(b)为左手螺旋结构。当圆膜向上凸起时，定义螺旋结构为右手螺旋；当圆膜向下凹陷时，定义螺旋结构为左手螺旋。当入射光为线偏光时，受超材料的调制作用出射光为椭圆偏振光，并且椭圆偏振光的主轴相比于入射光的偏振方向发生了改变。不同旋向的螺旋结构对入射线偏光的偏振调制特性将产生完全相反的作用，其示意图见图6。

实施例2

本实例采用与实例一同样的结构，但是入射波源采用圆偏振光，探讨螺旋结构对圆偏光的影响，入射圆偏振光由旋向的不同可以分为左旋光和右旋光两种。

通过改变PDMS圆膜的外界压强来对超材料的反射透射特性进行调控。具体的，当加入向上的压力，圆膜上的螺旋结构会向上凸起，螺旋结构为右手螺旋。当入射光为左旋圆偏光时(如图7)，由于与螺旋结构的旋性不同，大部分光会反射回去；当入射光为右旋圆偏光时(如图8)，由于与螺旋结构的旋性相同，大部分光会透过。当圆膜向下凹陷，螺旋结构为左手螺旋，分析过程同上。通过外界压强改变螺旋结构的旋性，最终对入射圆偏光的反射率和透射率进行调制。

总的来说，本申请提出了一种新型的太赫兹超材料调制方法，其设计出一种由PDMS制备的周期性圆柱形空气腔，加入外界压强使空气腔上方的柔性介质PDMS圆膜发生凸起或凹陷，进而改变PDMS薄膜上超材料的几何参数，最终对入射太赫兹波的响应进行调制。

本申请设计出一种超材料结构，即手性螺旋形结构，此种结构与新型的调制方式相结合，使得通过外界压强可以更高效地改变PDMS薄膜结构，最终调控超材料电磁响应特性。

本申请中，PDMS的应为名称为polydimethylsiloxane，中文名称为聚二甲基硅氧烷。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种太赫兹超材料调制方法，其特征在于，首先，在PDMS材质的基底上制备周期性圆柱形空气腔，

接着，在空气腔上方设置柔性介质PDMS薄膜，PDMS薄膜上设置有超材料，

然后，加入外界压强，使空气腔上方的柔性介质PDMS薄膜发生凸起或凹陷，进而改变PDMS薄膜上超材料的几何参数，最终对入射太赫兹波的响应进行调制。

2.如权利要求1所述的太赫兹超材料调制方法，其特征在于，PDMS薄膜上超材料为任意导体或者半导体制备的二维周期阵列。

3.如权利要求1所述的太赫兹超材料调制方法，其特征在于，PDMS薄膜上超材料为金属金制备的二维周期阵列。

4.如权利要求2或3所述的太赫兹超材料调制方法，其特征在于，任意导体或者半导体制备的二维周期阵列、或者金属金制备的二维周期阵列与周期性圆柱形空气腔一一对应。

5.一种实现如权利要求1-4之一所述方法的一种太赫兹超材料调制方法产品，其特征在于，其包括超材料结构和PDMS基底，超材料结构设置在PDMS基底上，

所述超材料包括PDMS薄膜和设置在该PDMS薄膜的二维周期阵列，所述二维周期阵列材质为导体或者半导体，

PDMS基底上设置有期性圆柱形空气腔，周期性圆柱形空气腔与二维周期阵列一一对应。

6.如权利要求5所述的产品，其特征在于，超材料结构和PDMS基底通过键合的方式连接为一体。