CN108631063B - 一种静电驱动的太赫兹超材料调制器 - Google Patents

一种静电驱动的太赫兹超材料调制器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种静电驱动的太赫兹超材料调制器。调制器由两个相互平行的超材料、处于两个超材料中间的绝缘薄膜构成。这两个超材料具有相同的金属光栅，而金属光栅之间的金属谐振结构分布周期也相同。使用静电吸力和斥力可以调节它们之间的距离，进而改变谐振结构间的耦合状态，从而实现目标频率太赫兹波的调制。本发明公布的调制器虽然加工工艺简单，但是依然具有较高的调制幅度和较宽的有效频段。本发明可以应用于微波段、太赫兹波段。

Description

一种静电驱动的太赫兹超材料调制器
技术领域
本发明涉及一种使用静电力进行驱动的太赫兹波段超材料调制器，属于人工超材料和电磁波调制技术领域。
背景技术
由亚波长周期性结构构成的人工超材料为太赫兹波调制器的设计提出了一条全新的方向。多种基于超材料的太赫兹调制器已经在通信、成像等领域得到验证。
按照原理不同，可调超材料可分为材料调节和重构调节两类。材料调节，如光控半导体方案、电动石墨烯方案、温控氧化钒方案、温控超导材料方案等，都是利用天然材料介电常数的可调节实现超材料的调节。因此其调节性能受到材料性能的限制。重构调节是将超材料谐振单元加工成相互耦合的固定和可动两部分，利用两者的位置变化实现对目标频率电磁波的调制。由于可由人工设计和优化谐振单元，重构方式的调节能力较高。
按照驱动方式不同，重构调节又分为机械驱动、静电驱动、磁力驱动和气压驱动等。其中静电驱动主要利用静电同性相斥、异性相吸的特性，在谐振单元的固定和可动两部分上分别施加不同的静电压，以实现两者相对位置的调整，从而最终实现超材料的调节。静电驱动的可调超材料具有调节精度高、速度快等优点。但是同重构调节的其他方案一样，静电调节也需要使用复杂的多层MEMS工艺加工谐振单元的可动部分。而静电调节方案还需要为每个谐振单元设计导线线路，因而加工工艺更加复杂。因此如何设计超材料结构，在实现调节功能的基础上，简化其加工工艺，是目前研究者所面临的一个难题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种静电驱动的太赫兹超材料调制器，使用静电引力和斥力直接调整两片相互耦合的超材料的整体间距，从而实现目标频率太赫兹波的调制。
本发明提供了如下技术方案：一种静电驱动的太赫兹超材料调制器，其特征在于：包括第一超材料、第二超材料、第一电极、第二电极和绝缘薄膜；所述绝缘薄膜位于所述第一超材料和所述第二超材料中间；所述第一超材料和所述第二超材料均由片状基底，分布在基底一个表面上的一维金属光栅和在光栅金属条之间，沿着光栅金属条方向周期性分布的金属谐振单元构成；所述第一超材料和所述第二超材料上的光栅周期和光栅方向相同；所述第一超材料上的金属光栅条末端由导线连接到第一电极；所述第二超材料上的金属光栅条末端由导线连接到第二电极；所述第一超材料和第二超材料上的金属谐振单元的分布周期相同；所述第一超材料和所述第二超材料中至少有一个采用柔性材料作为基底。
进一步地，所述第一超材料边缘和所述绝缘薄膜粘接，但是并不密封；所述第二超材料边缘和所述绝缘薄膜粘接，但是并不密封；粘接时需要保证所述第一超材料上的金属光栅条和所述第二超材料上的金属光栅条重合。
进一步地，所述绝缘薄膜的厚度小于被调制太赫兹波波长的1/6。
进一步地，所述第一超材料上的金属谐振单元和所述第二超材料上的金属谐振单元能够相互耦合，且所述耦合对所述第一超材料和所述第二超材料的间距敏感。
进一步地，所述第一超材料上的金属谐振单元和所述第二超材料上的金属谐振单元由偏振方向垂直于光栅方向的电磁波激发电磁谐振。
进一步地，所述第一超材料在靠近所述绝缘薄膜的一侧表面分布金属光栅和金属谐振单元；所述第二超材料在靠近所述绝缘薄膜的一侧表面分布金属光栅和金属谐振单元。
使用时，将第一电极和第二电极分别与电压源相连。当两个电极所施加的电压极性相反时，第一超材料和第二超材料相互吸引，两者达到最强耦合状态。当两个电极所施加的电压极性相同时，第一超材料和第二超材料相互远离，两者的耦合强度减弱。由耦合强度不同导致调制器对目标频率的太赫兹波透过率不同，从而实现调制操作。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明所提供的一种气压调节的太赫兹超材料调制器，极大地简化了加工工艺，降低了加工成本。由于使用静电引力和斥力直接改变两片超材料的间距实现调节效果，因而无需像目前通用的重构调节方案中需要为每个金属谐振器设计和加工微观尺寸的装配和支撑部件，只需要加工两片超材料然后进行宏观装配即可，极大地简化了加工工艺，降低了加工成本。
本发明所提供的超材料调制器，具有较大的位置调节范围。目前通用的调节方案都是在微观尺度直接调节金属谐振器相互耦合的两部分间的相对位置。由于受到金属谐振器本身尺寸和加工工艺的限制，其位置调节范围一般远远小于谐振器本身的尺寸。而本发明中，是通过调节基底的间距来实现谐振器相互耦合的两部分间相对位置的调整，调节不受谐振器尺寸限制，因而调节范围较大。
附图说明
图1为本发明静电驱动的太赫兹超材料调制器结构示意图；
图2为实施例1中金属谐振单元示意图（a）为第一超材料上的金属谐振单元，（b）为第二超材料上的金属谐振单元，（c）为两个超材料紧贴绝缘薄膜时，两个金属谐振单元的相对位置；
图3为实施例1中的调制器在同极性电压和反极性电压下的光谱响应曲线；
图4实施例1中的调制器对不同频率的太赫兹波的调制幅度；
图5为实施例2中金属谐振单元示意图（a）为第一超材料上的金属谐振单元，（b）为第二超材料上的金属谐振单元，（c）为两个超材料紧贴绝缘薄膜时，两个金属谐振单元的相对位置；
图6为实施例2中的调制器在同极性电压和反极性电压下的光谱响应曲线；
图7实施例2中的调制器对不同频率的太赫兹波的调制幅度。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明的具体实施方式做详细的说明。
实施例1：
一种静电驱动的太赫兹超材料调制器，包括第一超材料（1）、第二超材料（2）、第一电极（11）、第二电极（21）和绝缘薄膜（3）。绝缘薄膜（3）位于第一超材料（1）和第二超材料（2）中间。第一超材料（1）由片状基底（10），分布在基底一个表面上的一维金属光栅（12）和在光栅金属条之间，沿着光栅金属条方向周期性分布的金属谐振单元（13）构成。第二超材料也是由片状基底，分布在基底一个表面上的一维金属光栅和在光栅金属条之间，沿着光栅金属条方向周期性分布的金属谐振单元构成。第一超材料（1）和第二超材料（2）上的光栅方向相同，光栅金属条宽度都为20μm，光栅周期都为200μm。第一超材料（1）上的金属光栅（11）末端由导线（14）连接到第一电极（11）；第二超材料（2）上的金属光栅末端由导线连接到第二电极（21）。第一超材料（1）和第二超材料（2）上的金属谐振单元的分布周期都为200μm。两个超材料均选择厚度为12.5μm的聚酰亚胺柔性薄膜作为基底。
第一超材料（1）边缘和绝缘薄膜（3）粘接，但是并不密封；第二超材料（2）边缘和绝缘薄膜（3）粘接，同样也不密封。粘接时，需要使用显微镜调整两个超材料间的相对位置，以保证第一超材料（1）上的金属光栅和第二超材料（2）上的金属光栅重合。为了减小两个金属谐振单元的间距，增大耦合效果，装配时，将两个超材料分布金属光栅和金属谐振单元的一面靠近绝缘薄膜。两个超材料的加工仅需常规光刻工艺即可完成，而组装则是整体进行，因此此调制器的加工和装配都非常简单，极大降低了重构调节超材料的加工成本。
绝缘薄膜（3）选用厚度为10μm的聚酰亚胺薄膜。这个厚度等于频率为5THz的电磁波波长的1/6，因此此调制器适用于频率小于5THz的电磁波。
图2（a）所示为第一超材料上的金属谐振单元（12）。它是U形开口谐振环，环***的长和宽都为100μm，环的宽度为10μm。图2（b）所示为第二超材料上的金属谐振单元。它是在U形开口环的底边中心添加一个缺口构成。环***的长和宽都为100μm，环的宽度为10μm，缺口的宽度为10μm。图2（c）为两个电极通异极性电压，两个超材料紧贴绝缘薄膜时，两个金属谐振单元的相对位置。图2各小图中，金属谐振单元左右的金属条为金属光栅的一部分。当偏振方向垂直于金属光栅的太赫兹波入射时，两个U形开口环都可以激发出LC谐振和偶极谐振。当两个超材料距离较远时，相互之间的耦合作用较弱，两个开口环各自维持自己的谐振。当两个超材料紧贴绝缘薄膜时，相互之间的耦合作用增强，耦合后的光谱响应与两个独立的金属谐振单元都不相同。
使用时，将调制器垂直***被调制的太赫兹波束中。将两个电极连接到极性相反的电压源上，两个超材料紧贴绝缘薄膜，调制器的光谱响应曲线如图3实线所示。将两个电极连接到极性相同的电压源上，两个超材料相互远离，调制器的光谱响应曲线如图3中虚线所示。从图3中可以看出，两条频率响应曲线完全不同，令调制器在两个状态间切换，就可以达到调制效果。图4给出了此调制器对不同频率的太赫兹波的调制幅度。从图4可知，此调制器在0-0.65 THz范围内具有两个有效频段，而且其调制幅度较高。在0.315-0.330 THz和0.407-0.437 THz两个频段内，调制幅度都大于90%。如此高的调制幅度得益于两个超材料相对位置的有效调节。
虽然图3和图4都是采用有限元算法数值计算得到的理论结果，但是基于已经证实的有限元算法在电磁波仿真领域的有效性，上述理论结果在实际中是可以被验证的。
实施例2：
一种静电驱动的太赫兹超材料调制器，包括第一超材料（1）、第二超材料（2）、第一电极（11）、第二电极（21）和绝缘薄膜（3）。绝缘薄膜（3）位于第一超材料（1）和第二超材料（2）中间。两个超材料均由片状基底，分布在基底一个表面上的一维金属光栅和在光栅金属条之间，沿着光栅金属条方向周期性分布的金属谐振单元构成。两个超材料上的光栅方向相同，光栅金属条宽度都为10μm，光栅周期都为150μm。两个超材料上的金属光栅末端均由导线连接到电极上。两个超材料上的金属谐振单元的分布周期都为150μm，均选择厚度为12.5μm的聚酰亚胺柔性薄膜作为基底。
两个超材料边缘都和绝缘薄膜粘接，但是并不密封以保证超材料中心区域可以由静电力驱动远离和靠近绝缘薄膜。粘接时，需要保证两个超材料上的金属光栅重合。装配时，将两个超材料分布金属光栅和金属谐振单元的一面靠近绝缘薄膜。两个超材料的加工仅需常规光刻工艺即可完成，而组装则是整体进行，因此此调制器的加工和装配都非常简单，极大降低了重构调节超材料的加工成本。绝缘薄膜选用厚度为5μm的聚酰亚胺薄膜。
图5（a）所示为第一超材料上的金属谐振单元。它是一段长100μm，宽为10μm的立方体金属条，距离左边光栅的距离为5μm。图5（b）所示为第二超材料上的金属谐振单元，它和第一金属谐振单元完全一样，但是距离左边光栅的距离为35μm。图5（c）为两个超材料相互紧贴时，金属谐振单元的相对位置。图5中，金属谐振单元左右的金属条为金属光栅的一部分。当偏振方向垂直于金属光栅的太赫兹波入射时，两个金属条都可以激发出偶极谐振。当两个超材料距离较远时，相互之间的耦合作用较弱，两个开口环各自维持自己的谐振。当两个超材料紧贴绝缘薄膜时，相互之间的耦合作用增强，耦合后的光谱响应与两个独立的金属谐振单元都不相同。
两个电极连接到极性相反的电压源上时，两个超材料靠近绝缘薄膜，调制器的光谱响应曲线如图6实线所示。两个电极连接到极性相同的电压源上，两个超材料相互远离，调制器的光谱响应曲线如图6中虚线所示。从图6中可以看出，两条频率响应曲线完全不同，令调制器在两个状态间切换，就可以达到调制效果。图7给出了此调制器对不同频率的太赫兹波的调制幅度。从图7可知，此调制器在0-1.3THz范围内具有两个有效频段，而且其调制幅度较高。在0.734-0.778 THz和0.881-1.026 THz两个频段内，调制幅度都大于90%。
虽然图6和图7都是采用有限元算法数值计算得到的理论结果，但是基于已经证实的有限元算法在电磁波仿真领域的有效性，上述理论结果在实际中是可以被验证的。
本发明中，金属谐振结构的材料可为金、银、铜、铝、镍、锌、钼、铁、镁等，本发明对此并不做限定。
综上可知，本发明的静电驱动的太赫兹超材料调制器虽然加工工艺简单，但是依然具有较高的调制幅度和较宽的有效频段。本发明可以应用于微波段、太赫兹波段。

Claims (6)

1.一种静电驱动的太赫兹超材料调制器，其特征在于：包括第一超材料、第二超材料、第一电极、第二电极和绝缘薄膜；所述绝缘薄膜位于所述第一超材料和所述第二超材料中间；所述第一超材料和所述第二超材料均由片状基底，分布在基底一个表面上的一维金属光栅和在光栅金属条之间，沿着光栅金属条方向周期性分布的金属谐振单元构成；所述第一超材料和所述第二超材料上的光栅周期和光栅方向相同；所述第一超材料上的金属光栅条末端由导线连接到第一电极；所述第二超材料上的金属光栅条末端由导线连接到第二电极；所述第一超材料和第二超材料上的金属谐振单元的分布周期相同；所述第一超材料和所述第二超材料中至少有一个采用柔性材料作为基底。
2.根据权利要求1所述的静电驱动的太赫兹超材料调制器，其特征在于，所述第一超材料边缘和所述绝缘薄膜粘接，但是并不密封；所述第二超材料边缘和所述绝缘薄膜粘接，但是并不密封；粘接时需要保证所述第一超材料上的金属光栅条和所述第二超材料上的金属光栅条重合。
3.根据权利要求1所述的静电驱动的太赫兹超材料调制器，其特征在于，所述绝缘薄膜的厚度小于被调制太赫兹波波长的1/6。
4.根据权利要求1所述的静电驱动的太赫兹超材料调制器，其特征在于，所述第一超材料上的金属谐振单元和所述第二超材料上的金属谐振单元能够相互耦合，且所述耦合对所述第一超材料和所述第二超材料的间距敏感。
5.根据权利要求1所述的静电驱动的太赫兹超材料调制器，其特征在于，所述第一超材料上的金属谐振单元和所述第二超材料上的金属谐振单元由偏振方向垂直于光栅方向的电磁波激发电磁谐振。
6.根据权利要求1所述的静电驱动的太赫兹超材料调制器，其特征在于，所述第一超材料在靠近所述绝缘薄膜的一侧表面分布金属光栅和金属谐振单元；所述第二超材料在靠近所述绝缘薄膜的一侧表面分布金属光栅和金属谐振单元。
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