本发明专利技术公开了一种基于多谐振吸收叠加的宽频带太赫兹超材料吸收器，属于超材料及电磁功能技术领域中的太赫兹吸收器，其目的在于：包括上层图形化功能材料层、中间介质层和下层金属反射层；上层图形化功能材料层由超材料单元结构排列而成，超材料单元结构包括圆环结构，圆环结构上开设有4个平行开口，圆环结构内设置有十字臂，十字臂的四条连接臂与圆环结构的四组圆弧段连接；超材料单元结构阵列的晶格周期a为10um至100um，每个超材料单元结构的线宽m为0.5um至10um，连接臂的臂长x为3um至50um，平行开口的宽度d为0.5um至50um。本发明专利技术无需通过采用工序复杂、工艺难度高、制备成本高的方式来实现太赫兹吸收频带展宽的目的。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于超材料及电磁功能
，涉及一种太赫兹吸收器。
技术介绍
太赫兹（THz，1 THz=1012Hz）辐射或太赫兹波通常指频率在0.1THz至10THz之间的电磁波，在电磁波谱中位于微波和红外光波之间，是电磁波谱中有待进行全面研究和深入挖掘的最后一个频率窗口。近年来，随着太赫兹源和探测技术的稳步发展，太赫兹技术在物理、化学、生物、医药、通信等领域显示出巨大的科研价值和应用前景。然而，要利用好一种频谱资源，辐射源、功能器件和探测器构成的有机整体应当得到全面的发展。由于传统基于光学和电子学方法的类似器件在太赫兹波段都不太适用，以及大多数常规材料对太赫兹波的操控性能极为有限，目前适用于太赫兹频段的功能器件（如吸收器、调制器、滤波器、开关、起偏器等）仍非常匮乏，这大大限制了太赫兹技术的进一步发展。近几年，国内外对人工电磁超材料的广泛研究为研制高性能太赫兹功能器件开辟了一条行之有效的技术途径。人工电磁超材料（简称超材料）是指具有天然常规材料所不具备的超常物理性质的人造周期性结构材料，可以通过设计特定单元结构来控制其电磁属性，使其能够实现负折射率、完美透镜等奇特性质以及对太赫兹波产生强烈响应或操控作用。迄今为止，人们已将多种太赫兹功能材料与超材料器件结构相结合，实现了对太赫兹波不同的操控效果，积累了不少研究成果和可供借鉴的技术经验，而随着新型功能材料的不断发掘、超材料结构的不断创新，高性能太赫兹功能器件仍有很大的发展空间。如申请号为201310419542.8的专利技术专利申请就公开了一种多层超材料单元结构的性能调控方法，其由上至下依次为表层金属、上层介质、中间层金属、下层介质、底层金属。表层及中间层金属由尺寸不同的金属环所组成，且这两层金属环之间同时存在重叠区域与未重叠区域，结构的底层金属为连续的金属膜。此外，附图4就公开了多种可代替其表层金属及中间层金属的金属图形。然而，从附图3、图5、图7可以看出，该吸收器吸收率在90%以上的频带宽度大致为0.1THz(频段为2.3THz至2.4THz)，这种超材料吸收器通常工作在这单一频段，且吸收频带较窄，严重限制了其在实际中的应用。此外，申请号201410560036.5的专利技术专利申请也公开了一种基于L型结构的宽带太赫兹超材料吸收器，该太赫兹超材料吸收器包括金属反射层、介质层和金属图案层，所述金属反射层为一层连续的金属薄膜，其厚度大于工作太赫兹波的趋肤深度；介质层位于金属反射层和金属图案层之间，为二氧化硅薄膜；金属图案层由呈L型的单元超材料结构周期性排列而成，且每个L型单元超材料结构均由相互垂直的水平臂和垂直臂连接而成。该太赫兹超材料吸收器经过CST Microwave Studio 2013电磁仿真软件中的频域算法模拟计算，在垂直入射IE波情况下，该吸收器吸收率在90%以上的频带宽度可达1.4THz（频段为2.8THz至4.2THz），但该频带宽度仍显得较小，仍具有较大的展宽空间。现有技术中，基于超材料的太赫兹吸收器的工作频段往往受限于器件结构，吸收器的器件结构往往就能决定该吸收器的谐振带宽。由于大多数超材料器件的谐振峰相对独立、相互分开，因此单峰谐振对应的吸收带宽狭窄；而现有技术一般是通过渐变单元结构、多层结构堆叠或多种结构复合等方式达到谐振频带展宽目的，上述展宽的方式在工艺实现上难度较大，工序复杂，制备成本高，使吸收器的推广受到限制。此外，现有技术中，太赫兹吸收器通常使用金、银等高电导率的金属材料，金、银等高电导率的金属材料的大范围使用严重限制了将其他材料应用于太赫兹吸收器中。
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种基于多谐振吸收叠加的宽频带太赫兹超材料吸收器，通过优化超材料单元结构的结构、尺寸，从而在采用三层结构堆叠的情况下大幅提高吸收器吸收率在90%以上的频带宽度，无需采用工序复杂、工艺难度高、制备成本高的方式来实现太赫兹吸收频带展宽的目的，促进宽频带太赫兹超材料吸收器在实际中的应用以及提高其应用效率，从而制备工艺易于实现，制备成本降低。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种基于多谐振吸收叠加的宽频带太赫兹超材料吸收器，包括依次设置的上层图形化功能材料层、中间介质层和下层金属反射层；所述上层图形化功能材料层由超材料单元结构排列而成，所述超材料单元结构包括圆环结构，所述圆环结构上沿圆环结构的周向均匀开设有4个平行开口，所述圆环结构内设置有十字臂，所述十字臂的四条连接臂一一对应与圆环结构的四组圆弧段的中部连接；所述超材料单元结构阵列的晶格周期a为10um至100um，每个超材料单元结构的线宽m为0.5um至10um，所述连接臂的臂长x为3um至50um，所述平行开口的宽度d为0.5um至50um。其中，所述上层图形化功能材料层的厚度为0.05um至20um，且上层图形化功能材料层的电导率大于103S/m。其中，所述上层图形化功能材料层的材料为金属相二氧化钒或石墨。其中，所述中间介质层的厚度为0.1um至20um，且中间介质层的介电常数大于2的电介质。其中，所述中间介质层的材料为二氧化硅或聚酰亚胺。其中，所述下层金属反射层为由高电导率的金属材料制成的连续金属薄膜，所述下层金属反射层的厚度为0.05um至1um。其中，所述下层金属反射层的厚度大于太赫兹波的对于下层金属反射层的趋肤深度δ金属，δ金属的计算公式为：δ金属=(πυTHzμ金属σ金属)-1/2，其中，υTHz为太赫兹波频率，μ金属为金属磁导率，σ金属为金属电导率。其中，所述高电导率的金属材料为金、银、铜或铝。综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：1、本专利技术中，该吸收器的上层图形化功能材料层由超材料单元结构排列而成，且该超材料单元结构由圆环结构和十字臂组成特殊结构；在采用了上述特殊解结构超材料单元的吸收器进行工作时，当上层图形化功能材料层的电导率达到2.7×105 S/m时，该电场主要集中在相邻两个超材料单元结构上下边缘之间，并在上下边缘和底层材料之间形成电流回路，表现为超材料单元结构之间的LC谐振特征；在某一频率处的电场主要分布在超材料单元结构的开口缝隙处，电流在四个扇形的圆弧段内形成回路，表现为超材料单元结构内部的LC谐振特征；从而在频率1.71THz和3.81THz位置处或附近位置出现明显的吸收峰特性，两个吸收峰叠加形成宽频吸收带，吸收率峰值可达到99.99%，吸收器吸收率在90%以上的频带宽度可达2.1THz，因而在采用三层结构堆叠的情况下大幅提高吸收器吸收率在90%以上的频带宽度，且只需采用现有的三层结构堆叠的工艺制备即可，无需采用其它工序复杂、工艺难度高、制备成本高的方式里实现太赫兹吸收频带展宽的目的，促进宽频带太赫兹超材料吸收器在实际中的应用以及提高其应用效率，从而制备工艺易于实现，制备成本降低。2、本专利技术中，上层图形化功能材料层的材料为金属相二氧化钒或石墨，当二氧化钒薄膜电导率达到2.7×105 S/m时，二氧化钒薄膜完成半导体-金属相变成为金属相，相变过程中二氧化钒薄膜的电导率能够发生四个数量级的突变，由~10S/m变化到~105 S/m，二氧化钒薄膜在相变过程引起了吸收器的阻抗发生变化，当特定频率的吸收器阻抗本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于多谐振吸收叠加的宽频带太赫兹超材料吸收器，其特征在于：包括依次设置的上层图形化功能材料层（1）、中间介质层（2）和下层金属反射层（3）；所述上层图形化功能材料层（1）由超材料单元结构排列而成，所述超材料单元结构包括圆环结构，所述圆环结构上沿圆环结构的周向均匀开设有4个平行开口（13），所述圆环结构内设置有十字臂（12），所述十字臂（12）的四条连接臂（14）一一对应与圆环结构的四组圆弧段（11）的中部连接；所述超材料单元结构阵列的晶格周期a为10um至100um，每个超材料单元结构的线宽m为0.5um至10um，所述连接臂（14）的臂长x为3um至50um，所述平行开口（13）的宽度d为0.5um至50um。
【技术特征摘要】
1.一种基于多谐振吸收叠加的宽频带太赫兹超材料吸收器，其特征在于：包括依次设置的上层图形化功能材料层（1）、中间介质层（2）和下层金属反射层（3）；所述上层图形化功能材料层（1）由超材料单元结构排列而成，所述超材料单元结构包括圆环结构，所述圆环结构上沿圆环结构的周向均匀开设有4个平行开口（13），所述圆环结构内设置有十字臂（12），所述十字臂（12）的四条连接臂（14）一一对应与圆环结构的四组圆弧段（11）的中部连接；所述超材料单元结构阵列的晶格周期a为10um至100um，每个超材料单元结构的线宽m为0.5um至10um，所述连接臂（14）的臂长x为3um至50um，所述平行开口（13）的宽度d为0.5um至50um。2.如权利要求1所述的一种基于多谐振吸收叠加的宽频带太赫兹超材料吸收器，其特征在于：所述上层图形化功能材料层（1）的厚度为0.05um至20um，且上层图形化功能材料层（1）的电导率大于103S/m。3.如权利要求2所述的一种基于多谐振吸收叠加的宽频带太赫兹超材料吸收器，其特征在于：所述上层图形化功能材料层（1）的材料为金属相二...
【专利技术属性】
技术研发人员：罗振飞，周逊，孔维鹏，陈晨，王度，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院激光聚变研究中心，
类型：发明
国别省市：四川;51
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