CN113224547A

CN113224547A - 一种镂空科赫雪花分型结构超宽带太赫兹吸波器

Info

Publication number: CN113224547A
Application number: CN202110438767.2A
Authority: CN
Inventors: 钟任斌; 杨龙; 方正
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2021-04-22
Filing date: 2021-04-22
Publication date: 2021-08-06

Abstract

本发明公开了一种镂空科赫雪花分型介质结构超宽带太赫兹吸波器，属于吸波器技术领域，目的在于提供一种镂空科赫雪花分型介质结构超宽带太赫兹吸波器，解决现有太赫兹吸波器吸收频带少、吸波率差、吸收带宽窄的问题。其包括由下至上依次设置的介质底层、分型介质结构顶层，所述分型介质结构层包括若干镂空科赫雪花分型结构单元，所述镂空科赫雪花分型结构单元是基于梯度宽度调制设计的，科赫雪花分型迭代次数越高，梯度宽度截面越宽。本发明适用于太赫兹吸波器。

Description

一种镂空科赫雪花分型结构超宽带太赫兹吸波器

技术领域

本发明属于吸波器技术领域，具体涉及一种镂空科赫雪花分型介质结构超宽带太赫兹吸波器。

背景技术

太赫兹波是指频率范围大概在0.1THz-10THz的电磁辐射，其对应的波长范围大概为 0.03mm-3mm介于无线电波和光波之间。这些年来太赫兹器件不断研究与发展，包括调制器、滤波器、光学透镜和吸波器、传感器以及太赫兹超材料。高性能的太赫兹器件，对于太赫兹***的研发及应用具有重要意义。其中太赫兹吸波器可以应用到隐身技术、能量收集、成像、调制器、通信和传感检测等诸多关系国民经济发展及国防的应用研究领域，因此，在太赫兹频段设计出一种高性能吸波器具有重要价值。

近年来，各种不同结构的太赫兹吸波器，包括金属谐振吸波器、图形化石墨烯吸波器，以及金属加载石墨烯吸波器等都得到了广泛研究。然而，传统的太赫兹吸波器大多数是实现单频、窄频带、离散或连续多频带吸收。其中，介质结构吸波器大多是基于图案化石墨烯结构，该结构加工制备较为复杂，并且存在边缘效应。针对上述问题，本发明提出一种新型镂空介质分型结构，实现太赫兹频段超宽带高吸收率太赫兹吸波器，结构分型特性便于设计。

掺杂硅作为一种高损耗介质材料，近些年来被引入太赫兹器件领域。首先，利用传统光刻技术可以很容易地在掺杂硅上制备出复杂的图形，利用参杂硅片的零级和一级衍射进行数值模拟，可以获得大于100％的相对吸收带宽。此外，掺杂硅的光学特性可以通过改变掺杂浓度来调节，因此该设计可以很容易地扩展到更高的频率。新型太赫兹吸波器采用的是镂空科赫雪花分型结构，雪花科赫分型结构是基于梯度宽度调制设计的。科赫雪花分型迭代次数越高，梯度宽度截面越宽。二阶科赫雪花分型介质沿横向方向可分为无限个无限小的梯形，每一对横向无限小面都相当于法布里-珀罗腔的两个镜子，因此，可以获得多频的共振，从而提高吸收带宽。其镂空结构设计将进一步增强电磁波与结构的作用效应，从而达到提高吸波器的吸收率、拓宽频带的目的。基于上述机理，新型太赫兹吸波器可实现超宽频带且高吸收率吸收。这对太赫兹技术发展有着重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种镂空科赫雪花分型介质结构超宽带太赫兹吸波器，解决现有太赫兹吸波器吸收频带少、吸波率差、吸收带宽窄、结构复杂等问题。

本发明采用的技术方案如下：

渐变结构介质加载石墨烯超宽带高效广角太赫兹吸波器，包括由下至上依次设置的介质底层、分型介质结构顶层，所述分型介质结构层包括若干镂空科赫雪花分型结构单元，所述镂空科赫雪花分型结构单元是基于梯度宽度调制设计的，科赫雪花分型迭代次数越高，梯度宽度截面越宽。

进一步地，所述介质衬底层的材质为掺杂硅。

进一步地，所述介质分型结构层的材质为掺杂硅。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明中，太赫兹吸波器的结构简单，易于加工制作，其镂空结构设计将进一步增强电磁波与结构的作用效应，从而达到提高吸波器的吸收率、拓宽频带的目的。介质结构层为若干镂空科赫雪花分型介质结构，其结构是基于梯度宽度调制设计的。科赫雪花分型迭代次数越高，梯度宽度截面越宽。二阶科赫雪花分型介质沿横向方向可分型为无限个无限小的梯形，每一对横向无限小面都相当于法布里-珀罗腔的两个镜子，因此，可以获得多频共振。该结构吸收器在整个太赫兹频段可以实现高吸收率、超宽频带吸收。本发明的吸收器在50°大角度下，表现出良好的角稳定性，且具有极化不敏感特性，可实现超宽带吸收效果，太赫兹频带范围内从0.6THz-10THz，吸收带宽(平均吸收率95.33％)最高可达9.4THz，相对吸收带宽高达177％，有效解决了现有吸收频带少、吸波率差、吸收带宽窄、结构复杂、存在边缘效应的问题。

附图说明

图1为基于介质分型结构吸波器的单元结构三维示意图；

图2为基于介质分型结构吸波器的俯视图；

图3为TE极化波垂直入射情况下，介质分型结构吸波器在太赫兹频段范围内的吸收图谱；

图4(a)-(c)为吸收谱图中频带内三个典型吸收峰频率对应的电场分布图；

图5为不同分型阶数下，介质分型结构吸波器在太赫兹频段范围内的吸收曲线对比图；

图6为TE极化波入射情况下，入射角从0°到80°连续变化时的吸收谱图；

图7为TE极化波入射和TM极化波入射时吸收曲线对比图；

图8为不同镂空尺寸下，介质分型结构吸波器的吸收谱图；

图中标记：1-介质衬底层、2-分型介质结构层。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

镂空科赫雪花分型介质结构超宽带太赫兹吸波器，包括由下至上依次设置的介质底层、分型介质结构顶层，所述分型介质结构层包括若干镂空科赫雪花分型结构单元，所述镂空科赫雪花分型结构单元是基于梯度宽度调制设计的，科赫雪花分型迭代次数越高，梯度宽度截面越宽。

进一步地，所述介质衬底层的材质为掺杂硅。

进一步地，所述介质分型结构层的材质为掺杂硅。

其中，工作频段：0.6THz～10THz；

相对吸收带宽：177％；

吸收带宽：9.4THz。

图1为基于介质分型结构吸波器的单元结构三维示意图。该吸收器单元结构分别由介质衬底层和镂空科赫雪花分型介质层两层结构构成。两层介质材料都是掺杂硅，顶层介质结构的厚度为250μm，边长为210μm。分型结构介质层厚度为75μm。

图2为基于介质分型结构吸波器的俯视图，其科赫雪花分型外侧边长为160μm，镂空科赫雪花分型内侧边长为120μm。

图3为TE极化波垂直入射情况下，介质分型结构吸波器在太赫兹频段范围内的吸收图谱，能够实现吸收带宽从0.6THz到10THz，相对吸收带宽高达177％。图4(a)-(c)为吸收谱图中频带内三个典型吸收峰频率对应的电场分布图，如图4(a)1.0THz,(b)4.0THz,(c)8.0 THz。可以明显的看出，随着频率的增大，最初电场能量在分型单元结构之间，后聚集在镂空凹槽处，最后电磁波能量渗透到基板里进行消耗。

图5为不同分型阶数下，吸波器的吸收曲线对比图，可以明显的看出分型阶数越高其吸收性能也越好。镂空雪花科赫分型结构吸波器也基于梯度宽度调制设计的，科赫雪花分型迭代次数越高，梯度宽度截面越宽。因此，可以获得更多的共振，从而提高吸收性能。

图6为TE极化波入射情况下，入射角从0°到80°连续变化时的吸收谱图，可以看出，在入射角小于50°范围内，整体保持较高的吸收率，吸波器依旧能够保持良好的吸收性能和带宽，随着入射角的继续增加，在50°之后整体吸收率开始下降。因此，本发明的吸收器在50°大角度下，表现出良好的吸波稳定性，具有广角吸波特性，实际应用中体现为易实现性、易操作性和易兼容性，有利于应用于各种太赫兹实际应用场景。

如图7为TE极化波入射和TM极化波入射时吸收曲线对比图。可以看出两条曲线变化趋势差不多，都保持高性能吸收，也就是吸波器的吸收性能不会随着极化方式的不同而发生改变，表明这种结构具有极化不敏感性特性。

如图8为不同镂空尺寸下介质分型结构吸波器的吸收曲线对比图。可以看出镂空尺寸越大其吸收性能越好，这充分说明了镂空型结构的设计极大的提升了吸波器的吸收性能。

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

1.镂空科赫雪花分型介质结构超宽带太赫兹吸波器，其特征在于，包括由下至上依次设置的介质衬底层(1)、介质分型结构层(2)，所述介质结构层(2)包括若干镂空科赫雪花分型结构单元，所述镂空科赫雪花分型结构单元是基于梯度宽度调制设计的，科赫雪花分型迭代次数越高，梯度宽度截面越宽。

2.按照权利要求1所述的镂空科赫雪花分型介质结构超宽带太赫兹吸波器，其特征在于，所述介质衬底层(1)的材质为掺杂硅。

3.按照权利要求1所述的镂空科赫雪花分型介质结构超宽带太赫兹吸波器，其特征在于，所述介质分型结构顶层(2)的材质为掺杂硅。