CN115020987A - 太赫兹宽带吸收与极化转换双功能超材料实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了太赫兹宽带吸收与极化转换双功能超材料实现方法，包括超材料单元，所述超材料单元内侧的底部固定安装有基底反射板，所述基底反射板的顶部填充有聚乙烯环烯烃共聚物ToPaS介质层，所述聚乙烯环烯烃共聚物ToPaS介质顶部固定安装有二氧化钒薄膜层，所述二氧化钒薄膜层的底部固定安装有矩形长条，所述聚乙烯环烯烃共聚物介质层的顶部安装有外二氧化钒同心圆环贴片，所述外二氧化钒同心圆环贴片的内侧固定安装有内二氧化钒同心圆环贴片。本发明提出了在太赫兹频段具有宽带吸收与极化转换双功能的超材料器件，通过改变外界条件，将二氧化钒在绝缘态与金属态之间变换，实现了超材料器件的双功能切换。

Description

太赫兹宽带吸收与极化转换双功能超材料实现方法
技术领域
本发明属于电磁超材料领域，特别是涉及太赫兹宽带吸收与极化转换双功能超材料实现方法 。
背景技术
太赫兹电磁波的能量低，且穿透性强，很适合被应用于安检设备，生物大分子在太赫兹波段会拥有不同的吸收峰，分析这些吸收峰的特点，可以实现对物品的鉴别，电磁超材料是一种将谐振结构单元按照一定的排列方式周期性组合而成的人工电磁材料，通过对结构单元进行合理的设计，可以实现自然界中天然材料所不具备的特殊电磁性质，超材料吸收器可以将入射电磁波完全吸收，通过介质损耗以及欧姆损耗的方式消耗入射能量；超材料极化转换器可以改变入射电磁波的极化性质，相比于传统的器件，基于超材料的吸波器件和极化转换器件具有效率高、厚度薄、易集成、可人为设计的优点，在军事、民生等领域具有较高的应用价值，而现有的多数情况下设计的器件只具备单个功能，实际应用中往往需要***具有多个功能，这就需要用到多个器件，往往伴随着结构的复杂，现提供太赫兹宽带吸收与极化转换双功能超材料实现方法 ，解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供太赫兹宽带吸收与极化转换双功能超材料实现方法 ，通过相变材料二氧化钒，提出了在太赫兹频段具有宽带吸收与极化转换双功能的超材料器件，改变外界条件，将二氧化钒在绝缘态与金属态之间变换，实现了超材料器件的双功能切换。
为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
太赫兹宽带吸收与极化转换双功能超材料实现方法 ，包括超材料单元，所述超材料单元内侧的底部固定安装有基底反射板，所述基底反射板的顶部填充有聚乙烯环烯烃共聚物ToPaS介质层，所述聚乙烯环烯烃共聚物ToPaS介质顶部固定安装有二氧化钒薄膜层，所述二氧化钒薄膜层的底部固定安装有矩形长条，所述二氧化钒薄膜层的顶部安装有聚乙烯环烯烃共聚物介质层，所述聚乙烯环烯烃共聚物介质层的顶部安装有外二氧化钒同心圆环贴片，所述外二氧化钒同心圆环贴片的内侧固定安装有内二氧化钒同心圆环贴片。
进一步地，所述矩形长条的长度与超材料单元一致，且矩形长条的宽度为5微米。
进一步地， 所述基底反射板与矩形长条采用金材料，且基底反射板与矩形长条的电导率为，所述基底反射板与矩形长条的厚度为0.2微米。
进一步地，所述外二氧化钒同心圆环贴片的半径为12微米，所述内二氧化钒同心圆环贴片的半径为7微米，且内二氧化钒同心圆环贴片与外二氧化钒同心圆环贴片的宽度为3微米，所述内二氧化钒同心圆环贴片与外二氧化钒同心圆环贴片的厚度为0.2微米。
进一步地，所述二氧化钒薄膜层的厚度为0.2微米。
进一步地，所述聚乙烯环烯烃共聚物介质层的厚度为10微米，所述聚乙烯环烯烃共聚物ToPaS介质层的厚度为26微米。
本发明具有以下有益效果：
本发明基于相变材料二氧化钒，提出了在太赫兹频段具有宽带吸收与极化转换双功能的超材料器件，通过改变外界条件，将二氧化钒在绝缘态与金属态之间变换，实现了超材料器件的双功能切换，该超材料器件具有结构简单，易于集成，极化不敏感、宽角度稳定、转换效率高的优点，实现了将多功能聚合在一个的超材料器件上的同时不会导致装置体积过大的问题出现。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明材料整体轴侧示意图；
图2为本发明材料正面结构示意图；
图3为本发明材料俯视结构示意图。
图中：1、聚乙烯环烯烃共聚物介质层；2、二氧化钒薄膜层； 3、聚乙烯环烯烃共聚物ToPaS介质层；4、基底反射板；5、外二氧化钒同心圆环贴片；6、内二氧化钒同心圆环贴片；7、超材料单元；8、矩形长条。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”、“侧”、“端”、“底”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1-3所示，太赫兹宽带吸收与极化转换双功能超材料实现方法 ，包括超材料单元7，超材料单元7内侧的底部固定安装有基底反射板4，基底反射板4的顶部填充有聚乙烯环烯烃共聚物ToPaS介质层3，聚乙烯环烯烃共聚物ToPaS介质层3顶部固定安装有二氧化钒薄膜层2，二氧化钒薄膜层2的厚度为0.2微米，二氧化钒薄膜层2的底部固定安装有矩形长条8，二氧化钒薄膜层2的顶部安装有聚乙烯环烯烃共聚物介质层1，聚乙烯环烯烃共聚物介质层1的顶部安装有外二氧化钒同心圆环贴片5，外二氧化钒同心圆环贴片5的内侧固定安装有内二氧化钒同心圆环贴片6。
超材料单元7的宽度为33微米，且超材料单元7的长度为33微米。
基底反射板4与矩形长条8采用金材料，且基底反射板4与矩形长条8的电导率为，基底反射板4与矩形长条8的厚度为0.2微米。
外二氧化钒同心圆环贴片5的半径为12微米，内二氧化钒同心圆环贴片6的半径为7微米，且内二氧化钒同心圆环贴片6与外二氧化钒同心圆环贴片5的宽度为3微米，内二氧化钒同心圆环贴片6与外二氧化钒同心圆环贴片5的厚度为0.2微米。
聚乙烯环烯烃共聚物介质层1的厚度为10微米，聚乙烯环烯烃共聚物ToPaS介质层3的厚度为26微米。
工作原理：二氧化钒作为一种可以实现在绝缘态—金属态之间切换的金属氧化物，在温度达到68℃时，其性质会发生巨大的变化，电导率、折射率等电磁参数会发生突变，这种奇特的性质可以被用在可调多功能超表面的应用上，当二氧化钒的温度升高时，其内部结构会产生从单斜晶态到四方金刚石态的变化,此过程中材料的电导率不断增大，其值可以产生四到五个数量级的突变。
实现步骤，使用CST微波工作室建立超材料的模型，在X、Y方向上设置边界条件为晶胞边界，在Z方向为设置为开放边界，沿着Y轴方向极化的TE极化波垂直入射到结构表面上。采用四面体网格对超材料模型进行剖分，选择自适应网格技术在提高仿真速度的同时保证仿真精度，使用基于有限元算法的频域求解器仿真分析，求解出超材料的S参数。本文所设计的太赫兹波段超材料结构具有以下两个功能：当VO2为金属态时，超材料的上层VO2同心谐振环、中间ToPaS介质层和VO2薄膜反射板共同构成了传统的超材料三层谐振器，入射电磁波在较宽的太赫兹频段内与超材料耦合，实现了太赫兹宽带吸收器，当VO2为绝缘态时，其相对于太赫兹电磁波近乎透明，入射电磁波在金质矩形长条、ToPaS介质层以及底层金反射板的耦合作用下，实现了对入射线极化波的极化转换，在宽频段内具有较高的转换效率。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中，在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例，而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合，以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明，优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式，显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化，本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明，本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (7)

1.太赫兹宽带吸收与极化转换双功能超材料实现方法 ，包括超材料单元（7），其特征在于，所述超材料单元（7）内侧的底部固定安装有基底反射板（4），所述基底反射板（4）的顶部填充有聚乙烯环烯烃共聚物ToPaS介质层（3），所述聚乙烯环烯烃共聚物ToPaS介质层（3）顶部固定安装有二氧化钒薄膜层（2），所述二氧化钒薄膜层（2）的底部固定安装有矩形长条（8），所述二氧化钒薄膜层（2）的顶部安装有聚乙烯环烯烃共聚物介质层（1），所述聚乙烯环烯烃共聚物介质层（1）的顶部安装有外二氧化钒同心圆环贴片（5），所述外二氧化钒同心圆环贴片（5）的内侧固定安装有内二氧化钒同心圆环贴片（6）。
2.根据权利要求1所述的太赫兹宽带吸收与极化转换双功能超材料实现方法 ，其特征在于，所述超材料单元（7）的宽度为33微米，且超材料单元（7）的长度为33微米。
3.根据权利要求1所述的太赫兹宽带吸收与极化转换双功能超材料实现方法 ，其特征在于，所述矩形长条（8）的长度与超材料单元（7）一致，且矩形长条（8）的宽度为5微米。
4.根据权利要求1所述的太赫兹宽带吸收与极化转换双功能超材料实现方法 ，其特征在于，所述基底反射板（4）与矩形长条（8）采用金材料，且基底反射板（4）与矩形长条（8）的电导率为，所述基底反射板（4）与矩形长条（8）的厚度为0.2微米。
5.根据权利要求1所述的太赫兹宽带吸收与极化转换双功能超材料实现方法 ，其特征在于，所述外二氧化钒同心圆环贴片（5）的半径为12微米，所述内二氧化钒同心圆环贴片（6）的半径为7微米，且内二氧化钒同心圆环贴片（6）与外二氧化钒同心圆环贴片（5）的宽度为3微米，所述内二氧化钒同心圆环贴片（6）与外二氧化钒同心圆环贴片（5）的厚度为0.2微米。
6.根据权利要求1所述的太赫兹宽带吸收与极化转换双功能超材料实现方法 ，其特征在于，所述二氧化钒薄膜层（2）的厚度为0.2微米。
7.根据权利要求1所述的太赫兹宽带吸收与极化转换双功能超材料实现方法 ，其特征在于，所述聚乙烯环烯烃共聚物介质层（1）的厚度为10微米，所述聚乙烯环烯烃共聚物ToPaS介质层（3）的厚度为26微米。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP4344861A1 (en) * 2022-09-30 2024-04-03 EMPA Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Ultra-thin optical elements and production method thereof

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