一种在太赫兹频率实现宽带高吸收的超材料光纤阵列制造技术

本发明专利技术公开了一种在太赫兹波段实现宽带高吸收的超材料光纤阵列。该光纤阵列由相同的多根光纤在同一平面内平行排列构成，每单根光纤均由含有微结构的包层和纤芯构成；所述含有微结构的包层包裹在所述纤芯的外部，且所述纤芯的中心与光纤的中心不重合，为偏心分布；所述含有微结构的包层的未包裹纤芯且远离纤芯中心的部分含有一个以上小圆孔，且小圆孔内填充有一段以上金属微米线，构成包层的微结构；在光纤横截面中，以纤芯的中心为起点，向纤芯与光纤边缘最近点方向画单位矢量，为该单根光纤的单位矢量；所述光纤阵列中每根光纤的对应的单位矢量同向且平行。该光纤阵列能够对垂直入射到光纤阵列上表面的特定电场偏振方向的电磁波实现宽带高吸收。

A broadband high absorption metamaterial optical fiber array at terahertz frequency

The invention discloses a broadband high absorption metamaterial optical fiber array in terahertz band. The fiber array is composed of a plurality of identical fibers arranged in parallel in the same plane, and each single fiber is composed of a cladding containing a microstructure and a core; the cladding containing a microstructure wraps the outer part of the core, and the core of the core does not coincide with the center of the fiber and is eccentrically distributed; The uncoated part of the core and far away from the core contains more than one small circular hole filled with more than one section of metal microwires to form the cladding microstructure. The unit vector of each optical fiber in the fiber array is parallel and parallel to the unit vector. The fiber array can achieve broadband and high absorption of electromagnetic waves perpendicular to the polarization direction of a specific electric field incident on the surface of the fiber array.

【技术实现步骤摘要】
一种在太赫兹频率实现宽带高吸收的超材料光纤阵列
本专利技术属于超材料光纤
，具体涉及一种在太赫兹频率实现宽带高吸收的超材料光纤阵列。
技术介绍
电磁超材料，是一种人工设计的复合结构或复合材料，且其结构单元处于远小于工作波长的亚波长尺寸，具有操纵电磁波的神奇能力。电磁超材料的电磁性能主要取决于其特殊设计的人工结构，而不是其组成成分，因此它往往具有天然材料所不具备的超常物理性质，如负折射率等。超材料这种通过结构设计打破某些物理限制的新颖设计思想，开启了材料设计与开发的新思路。超材料吸波器利用结构的电磁损耗达到吸波的目的。由于超材料吸波器在电磁隐身、等离子体传感以及光谱成像具有广泛的应用前景，近年来已经成为了一个研究热点。超材料吸波器的吸波机理是利用超材料的电、磁谐振，对有效介电常数(εeff)和磁导率(μeff)进行调控，从而使得超材料的阻抗与自由空间匹配，从而将入射电磁波在界面上的反射率降至最低，同时将电磁波尽可能的消耗在结构内部，使得透射率尽可能的小，从而实现高吸收。现有的超材料吸波器通常为金属-电介质-金属的三层平面结构，顶层为结构单元，主要产生电谐振；底层金属则是为了防止透射，并与顶层结构单元产生磁谐振。现有的超材料吸波器有以下缺点：一是由于结构的谐振特性，吸收带宽很窄；二是二维平面超材料通常采用电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀、或光刻等制备方法，这些制备方法成本极高，工艺复杂，且制造精度难以控制。为了扩大超材料吸波器的吸收带宽，通常采用两种方法。一是将不同的谐振结构组合到一个单元结构内，这种方法往往由于不同谐振结构之间的耦合作用，难以同时实现宽带和高吸收。第二种方法是采用多层结构，这在一定层度上增大了制备工艺的复杂性。超材料光纤是一种新形式的超材料，来自悉尼大学的BorisT.Kuhlmey等人，使用光纤拉制的方法，成功拉制了两种最基本的超材料结构单元：金属线阵列和开口谐振环阵列。这为超材料的结构单元设计以及制备方式打开了新思路。将超材料与光纤结合起来，以光纤的形式实现超材料，不仅有助于设计新型超材料结构单元，同时可以降低超材料制备的成本。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种在太赫兹频率实现宽带高吸收的超材料光纤阵列。该光纤阵列能够对垂直入射到光纤阵列上表面的特定电场偏振方向的电磁波实现宽带高吸收，且吸收带宽可以随着包层中小圆孔数量增多而增大。同时该超材料的结构单元以光纤这种新形式存在，通过现有光纤制备技术即可制备得到，制备成本低。本专利技术的目的通过如下技术方案实现。一种在太赫兹频率实现宽带高吸收的超材料光纤阵列，由相同的多根光纤在同一平面内平行排列构成，每单根光纤均由含有微结构的包层和纤芯构成；所述含有微结构的包层包裹在所述纤芯的外部，且所述纤芯的中心与光纤的中心不重合，为偏心分布；所述含有微结构的包层的未包裹纤芯且远离纤芯中心的部分含有一个以上小圆孔，且小圆孔内填充有一段以上金属微米线，构成包层的微结构；在光纤横截面中，以光纤的纤芯的中心为起点，向纤芯与光纤边缘最近点方向画单位矢量，即为该单根光纤的单位矢量；所述光纤阵列中每根光纤的对应的单位矢量同向且平行。优选的，所述光纤的半径为7.7～8.65μm。优选的，所述含有微结构的包层的材料为电解质材料，更优选为介电常数4.3、介电损耗因子0.025的电介质材料。优选的，所述纤芯的半径为4.8～5.5μm，且在光纤横截面上，纤芯的与光纤的边缘的最近距离为0.5μm。优选的，所述纤芯的材料为金属Au。优选的，所述小圆孔的半径为0.65～1μm，小圆孔与纤芯纵向平行，且在光纤横截面上，小圆孔与光纤的边缘的最近距离为0.5μm。优选的，所述金属微米线段在小圆孔中为不连续的周期性填充，周期长度为30μm，同一小圆孔中相邻的两段金属微米线间为空气，且各小圆孔中的金属微米线在光纤几何对称轴方向具有相同的位置。优选的，所述金属微米线为Au微米线，长度为22.5～24.5μm，且半径与小圆孔的半径相同。优选的，所述小圆孔的孔心与纤芯的中心之间的距离为5.9～9.8μm。优选的，当偏振电磁波垂直入射到光纤阵列，且入射的偏振电磁波的电场偏振方向沿光纤阵列中光纤几何轴向时，偏振电磁波入射方向与光纤的单位矢量同向，即为产生太赫兹频率宽带吸收的方向；此时光纤阵列对入射的偏振电磁波吸收大于90％的电磁波频率范围为2.53～2.95THz，高吸收带宽达0.42THz。本专利技术的在太赫兹频率实现宽带高吸收的超材料光纤阵列中的单根光纤可通过现有光纤制备技术即可制备得到，首先使用管棒法获得含有连续金属线的光纤，而后使用激光作用在特定位置将小圆孔中的Au微米线打断，形成周期性结构；而后将光纤排成阵列，实现宽带高吸收。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和有益效果：(1)本专利技术的在太赫兹频率实现宽带高吸收的超材料光纤阵列在入射的偏振电磁波的作用下，结构单元内不同小圆孔内的Au微米线之间以及Au微米线与金属纤芯之间形成多个环形电流，产生多个电/磁谐振；多个电/磁谐振的共同作用，使得结构获得宽带吸收；(2)相较于现有平面超材料吸波器的增大带宽是通过将不同谐振单元组合到一个结构单元内，而由于谐振单元之间的耦合作用，往往难以同时实现宽带和高吸收，本专利技术的在太赫兹频率实现宽带高吸收的超材料光纤阵列通过合理的设计几何参数以及小圆孔数量，实现宽带高吸收，结构设计灵活，且容易实现宽带高吸收；(3)本专利技术的在太赫兹频率实现宽带高吸收的超材料光纤阵列不同于现有的二维平面超材料吸波器需使用电子束刻蚀、聚焦离子束或光刻等高成本方法制备，单根光纤可通过现有光纤制备技术即可制备得到，制备技术简单、高效，成本低。附图说明图1为本专利技术的在太赫兹频率实现宽带高吸收的超材料光纤阵列的示意图；图2a为本专利技术的在太赫兹频率实现宽带高吸收的超材料光纤阵列MA-1中单根光纤内一个结构单元的装配图；图2b为本专利技术的在太赫兹频率实现宽带高吸收的超材料光纤阵列MA-1中单根光纤内一个结构单元的横截面示意图；图3为本专利技术的在太赫兹频率实现宽带高吸收的超材料光纤阵列中单根光纤中一个圆孔内周期性排列的Au微米线的排布示意图；图4为实施例1的在太赫兹频率实现宽带高吸收的超材料光纤阵列MA-1的吸收曲线图；图5为实施例2的在太赫兹频率实现宽带高吸收的超材料光纤阵列MA-2的单根光纤内一个结构单元的横截面示意图；图6为实施例2的在太赫兹频率实现宽带高吸收的超材料光纤阵列MA-2的吸收曲线。图7为实施例3得到超材料光纤阵列MA-3的吸收曲线图。图8为实施例4得到超材料光纤阵列MA-4的吸收曲线图。具体实施方式以下结合具体实施例及附图对本专利技术技术方案作进一步详细的描述，但本专利技术的保护范围和实施方式不限于此。具体实施例中，本专利技术的在太赫兹频率实现宽带高吸收的超材料光纤阵列的示意图如图1所示，由相同的多根光纤在同一平面内平行排列构成，每单根光纤均由含有微结构的包层和纤芯构成；其中，含有微结构的包层包裹在所述纤芯的外部，且所述纤芯的中心与光纤的中心不重合，为偏心分布；含有微结构的包层的未包裹纤芯且远离纤芯3中心的部分含有一个以上小圆孔2，且小圆孔内填充有一段以上周期性排布的金属微米线1，构成包层的微结构。实施例1一种在太赫兹频率实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种在太赫兹频率实现宽带高吸收的超材料光纤阵列，由相同的多根光纤在同一平面内平行排列构成，其特征在于，每单根光纤均由含有微结构的包层和纤芯构成；所述含有微结构的包层包裹在所述纤芯的外部，且所述纤芯的中心与光纤的中心不重合，为偏心分布；所述含有微结构的包层的未包裹纤芯且远离纤芯中心的部分含有一个以上小圆孔，且小圆孔内填充有一段以上金属微米线，构成包层的微结构；在光纤横截面中，以光纤的纤芯的中心为起点，向纤芯与光纤边缘最近点方向画单位矢量，即为该单根光纤的单位矢量；所述光纤阵列中每根光纤的对应的单位矢量同向且平行。

【技术特征摘要】
1.一种在太赫兹频率实现宽带高吸收的超材料光纤阵列，由相同的多根光纤在同一平面内平行排列构成，其特征在于，每单根光纤均由含有微结构的包层和纤芯构成；所述含有微结构的包层包裹在所述纤芯的外部，且所述纤芯的中心与光纤的中心不重合，为偏心分布；所述含有微结构的包层的未包裹纤芯且远离纤芯中心的部分含有一个以上小圆孔，且小圆孔内填充有一段以上金属微米线，构成包层的微结构；在光纤横截面中，以光纤的纤芯的中心为起点，向纤芯与光纤边缘最近点方向画单位矢量，即为该单根光纤的单位矢量；所述光纤阵列中每根光纤的对应的单位矢量同向且平行。2.根据权利要求1所述的一种在太赫兹频率实现宽带高吸收的超材料光纤阵列，其特征在于，所述光纤的半径为7.7~8.65μm。3.根据权利要求1所述的一种在太赫兹频率实现宽带高吸收的超材料光纤阵列，其特征在于，所述含有微结构的包层的材料为介电常数4.3、介电损耗因子0.025的电介质材料。4.根据权利要求1所述的一种在太赫兹频率实现宽带高吸收的超材料光纤阵列，其特征在于，所述纤芯的半径为4.8~5.5μm，且在光纤横截面上，纤芯的与光纤的边缘的最近距离为0.5μm。5.根据权利要求1所述的一种在太赫兹频率实现宽带高吸收的超材料光纤阵列，其特征在于，所述纤芯的材料为金属Au。6.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨中民，袁方强，钱奇，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44