CN107809007A - 一种多频带太赫兹超材料吸波器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种多频带太赫兹超材料吸波器，属于多频带太赫兹超材料吸波器技术领域，解决只能在单个、两个或三个频带内电磁波的高吸收问题。本发明的超材料吸波器由多个吸波器单元构成，吸波器单元由自下而上依次设置为底层金属薄膜1、中间损耗介质2和顶层金属薄膜。底层金属薄膜1、中间损耗介质2和顶层金属薄膜之间相互贴合。所述底层金属薄膜1是全金属薄膜，顶层金属薄膜是非对称金属劈裂环3，非对称金属劈裂环3的几何中心与中间损耗介质2的几何中心以及底层金属薄膜1的几何中心在一条直线上。通过合理地设计非对称金属劈裂环单元的几何尺寸以及晶格周期，可以实现对垂直入射到超材料表面的电磁波完全吸收的特性。本发明提供的超材料吸波器具有高吸收率，结构简单，并且有五个吸波峰值点。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹技术领域，具体涉及一种多频带太赫兹超材料吸波器。
背景技术
在太赫兹技术领域，太赫兹波的吸收和能量捕获是实现太赫兹检测的基础，也是太赫兹波标定、调控、转换和应用的核心问题。相对于热释电材料和量子阱结构，利用超材料构建的太赫兹吸波器具有高吸收率、高度集成、设计灵活、室温工作等综合优势。
目前基于超材料太赫兹吸波器还面临着如下几个严重问题：一、吸波器的设计主要集中在单带、双带吸波器，已不能满足太赫兹***抗干扰的要求；二、器件结构单元庞大不利于器件的小型化发展；三、结构复杂或多层结构堆栈增加器件制备的难度不利于器件的实用化。综合以上几点考虑，我们发明了一种高吸收率、结构简单、多频带吸波器。
发明内容
本发明的目的是基于非对称劈裂环的超材料结构，提供一种工作于太赫兹波段的接近完美吸收的多频带超材料吸波器。
实现本发明的技术解决方案为：一种太赫兹超材料吸波器，包括连续设置的多个吸波器单元，所述每个吸波器单元由自下而上依次设置为底层金属薄膜1、中间损耗介质2和顶层金属薄膜组成，底层金属薄膜1、中间损耗介质2和顶层金属薄膜之间相互贴合。所述底层金属薄膜1是全金属薄膜，顶层金属薄膜是非对称金属劈裂环3，非对称金属劈裂环3的几何中心与中间损耗介质2的几何中心以及底层金属薄膜3的几何中心在一条直线上。
作为优选，每个吸波器单元的横剖面都为正方形，其边长为85～95微米。
作为优选，底层金属薄膜1和非对称金属劈裂环3的厚度dh均为0.2～1微米，可由金、银、铜、铝或铅中的一种制成。
作为优选，非对称金属劈裂环3外边长L为70～76微米，L1为43.5～49.5微米，L2为13.5～49.5微米，且满足g＝L-L1-L2。
作为优选，非对称金属劈裂环3的线宽w为10～15微米。
作为优选，中间介质层2是聚酰亚胺(PI)薄膜，其厚度t为24～28微米，折射率为1.8+i0.06。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1.本发明提出了一种新型太赫兹超材料吸波器结构，该结构由“金属-介质-金属”结构组成，其中亚波长的金属结构由一个非对称金属劈裂环结构组成，结构简单，易于实现。
2.本发明提出的太赫兹超材料吸波器结构，可以在0.2～2.8THz的频率范围内实现五个频带的高吸收，且吸收率高达95％以上。
3.本发明提出的太赫兹超材料吸波器结构所用材料均为常规材料，易于实现。
附图说明
图1：本发明太赫兹超材料吸波器的吸波单元三维结构示意图。
图2：图1的主视图。
图3：图1的仰视图。
图4：采用FDTD Solutions对本发明超材料吸波器进行仿真的反射率图。
图5：本发明太赫兹超材料吸波器的垂直入射吸收率仿真结果图。
图6：本发明太赫兹超材料吸波器分别在中间介质薄膜有损耗和无损耗情况下垂直入射吸收率仿真结果图。
图7：本发明太赫兹超材料吸波器分别在不同金属情况下垂直入射吸收率仿真结果图。
图中：1-金属层，2-介质层，3-非对称金属劈裂环。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
如图1、2、3所示，本发明多频带太赫兹超材料吸波器，包括沿平面连续设置的多个吸波单元。所述的吸波单元由下而上依次设置的底层金属薄膜1、中间损耗介质层2和顶层金属薄膜组成。底层金属薄膜1、中间损耗介质层2和顶层金属薄膜之间相互紧密贴合，也即本发明的的底层金属薄膜1和顶层金属薄膜分别紧密贴附于中间损耗介质层2的两侧。所述的底层金属薄膜1是全金属膜，无镂空结构，顶层金属薄膜仅由一个非对称金属劈裂环组成。非对称金属劈裂环3的几何中心与中间损耗介质2的几何中心以及底层金属薄膜1的几何中心在一条直线上。
当多个吸波单元沿平面连续设置时，底层金属薄膜1和中间损耗介质2均连为一体，而非对称金属劈裂环3之间则相互隔离，使各个吸波单元独立工作。
所示中间介质为有损耗的聚酰亚胺(PI)薄膜，其折射率为1.8+i0.06。
底层金属薄膜1和顶层的非对称金属劈裂环3同采用银、铜、金或铝中的一种，其电导率分别为：σ银＝6.1×107S/m、σ铜＝5.8×107S/m、σ金＝4.1×107S/m和σ铝＝3.8×107S/m。
作为实施例，每个吸波单元的三层结构各尺寸参数如下：晶格周期P＝90微米，非对称金属劈裂环外边长为L＝72微米，L1＝46.5微米，L2＝16.5微米，非对称金属劈裂环开口宽度g＝9微米，非对称金属劈裂环线宽w＝13微米，中间介质层厚度t＝27微米，顶层和底层的金属铜膜厚度为dh＝0.4微米。
图4为使用仿真软件对本发明进行仿真得到的反射率图。
图5为通过反射率计算出本发明的垂直入射吸收率曲线。当电磁波入射到吸波器时，单个谐振单元会在某个特定频率上进行谐振，其电场分量会引起顶层金属结构上产生周期变化的表面电流，产生电谐振，其磁场分量会引起顶层金属结构上和底层金属薄膜上产生方向相反的表面电流，这种近似环形的电流产生磁谐振。强烈的电谐振和磁谐振，加上底层金属薄膜对电磁波的零通过率，将入射电磁波的能量留在吸波器内，并通过金属的欧姆损耗和介质层的介电损耗将留住的电磁能量转化为热能耗散掉，从而实现了五个频带的吸波器。
图6本发明太赫兹超材料吸波器分别在中间介质有损耗和无损耗情况下垂直入射吸收率仿真结果图。从图中可以看出当介质层采用无损耗的聚酰亚胺(PI)薄膜的时候，各个频带的吸收率要明显小于使用有损耗的，从而反映出介质的介电损耗为主，金属的欧姆损耗为辅。
图7本发明太赫兹超材料吸波器分别在底层金属薄膜和顶层非对称金属劈裂环同为不同金属材料情况下垂直入射吸收率仿真结果图。从图中可以看出各个频带的吸收率几乎不受到金属材料的影响。
本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例仅是用于举例和说明，而非意在将本发明局限于所描述的实施例范围内。此外本领域的技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。
Claims (7)
1.一种多频带的太赫兹超材料吸波器，其特征在于：超材料吸波器由多个吸波器单元组成，吸波器单元由自下而上依次设置的底层金属薄膜1、中间损耗介质2和顶层金属薄膜组成，底层金属薄膜1、中间损耗介质2和顶层金属薄膜之间相互贴合。所述底层金属薄膜1是全金属薄膜，顶层金属薄膜是非对称金属劈裂环3，非对称金属劈裂环3的几何中心与中间损耗介质2的几何中心以及底层金属薄膜1的几何中心在一条直线上。
2.根据权利要求1所述的一种多频带太赫兹超材料吸波器，其特征在于：所述每个吸波器单元的横剖面都为正方形，其边长P为85～95微米。
3.根据权利要求1所述的一种多频带太赫兹超材料吸波器，其特征在于：所述底层金属薄膜1和非对称金属劈裂环3的厚度dh均为0.2～1微米，由银、铜、金或铝中的一种制成。
4.根据权利要求1所述的一种多频带太赫兹超材料吸波器，其特征在于：所述非对称金属劈裂环3的线宽w为10～15微米，外边长L为70～76微米。
5.根据权利要求1和4所述的一种多频带太赫兹超材料吸波器，其特征在于：非对称金属劈裂环3的外边长L1为43.5～49.5微米，L2为13.5～19.5微米。
6.根据权利要求1和4所述的一种多频带太赫兹超材料吸波器，其特征在于：非对称金属劈裂环3的开口宽度g＝L-L1-L2。
7.根据权利要求1所述的一种多频带太赫兹超材料吸波器，其特征在于：中间介质层2是聚酰亚胺(PI)薄膜，其厚度t为24～28微米，折射率为1.8+i0.06。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20180316 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |