基于PE棱镜耦合的可调光栅超材料太赫兹吸波器及方法技术

本发明专利技术提出基于PE棱镜耦合的可调光栅超材料太赫兹吸波器，所述吸波器包括等离子共振件和棱镜侧面置于等离子共振件的共振区上的棱镜件；所述棱镜件位于吸波器的太赫兹波输入端处，使太赫兹波经棱镜件折射后入射至共振区；向共振区入射的太赫兹波在棱镜侧面处形成倏逝波；当入射太赫兹波与共振区的人工表面等离子体动量匹配时，所述等离子共振件共振区被倏逝波激发共振，产生人工表面等离子极化波使入射的太赫兹波被吸收；本发明专利技术结构简单、操作方便且性能可靠。

Terahertz absorber of tunable grating metamaterials based on the coupling of PE prism and its method

【技术实现步骤摘要】
基于PE棱镜耦合的可调光栅超材料太赫兹吸波器及方法
本专利技术涉及电磁波
，尤其是基于PE棱镜耦合的可调光栅超材料太赫兹吸波器及方法。
技术介绍
太赫兹(Terahertz,THz)波通常是指频率为0.1-10THz的电磁波,位于微波和红外之间,也被称为T射线，是一种新的、有很多独特优点的辐射源。在基础研究、工业应用、生物学、医学以及军事等领域有着重要的应用前景。太赫兹超材料因其具有独特的控制电磁波的能力，在业界引起了极大的研究兴趣，尤其在基于超材料的完美吸波器。基于超材料的完美吸波器已经成为实现太赫兹器件的一个重要组成部分，包括：高分辨率太赫兹探测、成像、传感等。通过设计不同的太赫兹超材料表面周期性图案和对其图案尺寸进行调制，各种具有独特的吸收特性的太赫兹超材料已被广泛设计和研究，包括：窄带、宽带或多带吸收特性、对太赫兹辐射入射角和极化的不敏感性吸收特性等。然而，目前的大多数的设计主要集中在吸波器的强度调制而不是吸收频率调制。虽然，通过复杂的几何图案的设计，具有各种各样的吸收特性的基于超材料的完美吸波器不断被设计出来，但大部分吸波器都很难同时进行吸波强度和吸收频率的调制，并吸波效率也很难达到100%，即完美吸收，这极大地限制了他们的实际应用。因此，设计一种基于结构简单的超材料，能够实现太赫兹波吸波特性的动态调制的太赫兹完美吸收器具有重要的现实意义和工程应用价值。
技术实现思路
本专利技术提出基于PE棱镜耦合的可调光栅超材料太赫兹吸波器及方法，结构简单、操作方便且性能可靠。本专利技术采用以下技术方案。基于PE棱镜耦合的可调光栅超材料太赫兹吸波器，所述吸波器包括等离子共振件和棱镜侧面置于等离子共振件的共振区上的棱镜件（2）；所述棱镜件位于吸波器的太赫兹波输入端处，使太赫兹波经棱镜件折射后入射至共振区；向共振区入射的太赫兹波在棱镜侧面处形成倏逝波；当入射太赫兹波与共振区的人工表面等离子体动量匹配时，所述等离子共振件共振区被倏逝波激发共振，产生人工表面等离子极化波使入射的太赫兹波被吸收。所述等离子共振件的共振区自上而下包括空气层（3）、光栅填充层（5）、光栅凹槽阵列（6）；所述空气层与棱镜件的棱镜侧面相接；所述等离子共振件下端支撑于光栅托架（7）上。所述棱镜件包括具有三个侧面的三棱柱棱镜；所述三棱柱棱镜的第一侧面与光栅填充层相邻，第二侧面朝向吸波器的太赫兹波输入端；三棱柱棱镜的第一侧面与光栅填充层之间设有空气层；输入吸波器的太赫兹波先后经第二侧面、第一侧面折射后入射至共振区。三棱柱棱镜的第二侧面朝向吸波器的太赫兹波输入端，第三侧面朝向吸波器的太赫兹波输出端；未被共振区吸收的太赫兹波被共振区反射，再经三棱柱棱镜的第一侧面、第三侧面折射后从第三侧面射出；所述三棱柱棱镜以PE材料成型。所述等离子共振件或棱镜件与电控线性移动平台（8）相接以调节所述空气层的厚度；所述电控线性移动平台通过调节空气层厚度来对人工表面等离子极化波进行调制，以针对指定频率的太赫兹波进行吸收。所述吸波器的太赫兹波输入端与太赫兹脉冲发射器（1）相邻；所述吸波器的太赫兹波输出端与太赫兹脉冲接收器（4）相邻；太赫兹脉冲接收器对从棱镜第三侧面出射的太赫兹波进行探测，并把探测结果生成时域太赫兹信号上传至信号后处理系统（9）；所述信号后处理系统把接收的时域太赫兹信号变换为频域太赫兹信号，同时根据太赫兹脉冲接收器的太赫兹波输出值来计算吸波器对太赫兹波的吸收率。所述信号后处理系统与电控线性移动平台相连，所述信号后处理系统可根据吸波器对太赫兹波的吸收率来对空气层厚度进行调节。所述等离子共振件可通过改变所述的光栅凹槽阵列的光栅深度和光栅填充层的光栅填充物，对吸波器的太赫兹波吸收频率和吸收宽度进行调节。所述光栅凹槽阵列是结合深硅刻蚀和磁控溅射技术加工而成的，其制备方法依次包括以下步骤；步骤A1、首先利用深硅刻蚀技术在平整的硅基底（62）上加工出多个相互平行的一维线性梯形凹槽，形成一维凹槽阵列，从而形成光栅结构；步骤A2、利用磁控溅射技术在光栅结构的基底上覆以金质薄层（61）；形成光栅凹槽阵列。一种吸波器的调试方法，以上所述的吸波器，其调试方法包括以下步骤；步骤B1、所述太赫兹脉冲发射器向三棱柱棱镜的第二侧面发射指定频率的太赫兹波；并把发射数据传送至信号后处理系统；步骤B2、所述太赫兹脉冲接收器对从棱镜第三侧面出射的太赫兹波进行探测，并把探测结果生成时域太赫兹信号上传至信号后处理系统（9）；所述信号后处理系统把接收的时域太赫兹信号变换为频域太赫兹信号，同时根据太赫兹脉冲接收器的太赫兹波输出值来计算吸波器对太赫兹波的吸收率；步骤B3、所述信号后处理系统控制电控线性移动平台，根据计算出的当前吸波器对太赫兹波的吸收率来对空气层厚度进行调节，使吸波器对该频率太赫兹波的吸收率达到最优。所述等离子共振件为光栅超材料芯片。与现有技术相比，本专利技术所述方案具有以下有益效果：1、该基于PE棱镜耦合的可调光栅超材料太赫兹完美吸波器及方法，创新性地利用一维线性阵列的光栅超材料芯片作为人工表面等离子体激发的载体，相比于现有的其他超材料，它的结构简单、易于加工。2、只需对该光栅超材料芯片的光栅深度进行调制，即可以改变其支持的色散关系曲线，从而改变人工表面等离子体模式，实现吸波频率的有效调制。3、本专利技术所述吸波器为Otto型的吸波器；吸波器结构中空气间隙的可调性，使得其在太赫兹波吸收特性的调制的方面具有很好的灵活性，可利用吸波器结构的这一特性，实现太赫兹波的完美吸收；该吸波器结构简单，操作方便，可靠性强。4、通过改变光栅超材料芯片的填充物，使得介电环境发生变化，利用人工表面等离子体极化波对介电环境的改变非常敏感这一特性，可以进一步实现对吸收频率和频宽进行调制。5、与大多数传统的基于太赫兹超材料的吸波器相比，本专利技术利用棱镜耦合的方式实现光栅超材料对特定频率太赫兹波的吸收的方法，具有更高的吸收效率和吸收频率调制范围。实验结果表明，在室温下，三种不同光栅深度（30,60,90微米）的光栅光栅芯片分别达到了99.99%,99.52%,99.97%，仅仅通过调节光栅深度就可以在0.625-1.499THz宽的频率范围内获得接近完全的吸收。当在光栅超材料芯片的凹槽内填充满水时，吸收光谱发生飘移和展宽。该新型的太赫兹完美吸波器在研究吸波特性动态可调的太赫兹完美吸波器方面具有潜在的工程应用价值。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进一步详细的说明：附图1是本专利技术的示意图；附图2是本专利技术的等离子共振件的示意图；附图3为不同空气层厚度下的实验吸收谱；附图4为不同光栅深度（凹槽深度）下实验吸收谱；附图5为光栅填充层采用不同光栅填充物时的实验吸收谱；图中：1-太赫兹脉冲发射器；2-棱镜件；3-空气层；4-太赫兹脉冲接收器；5-光栅填充层；6-光栅凹槽阵列；7-光栅托架；8-电控线性移动平本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于PE棱镜耦合的可调光栅超材料太赫兹吸波器，其特征在于：所述吸波器包括等离子共振件和棱镜侧面置于等离子共振件的共振区上的棱镜件（2）；所述棱镜件位于吸波器的太赫兹波输入端处，使太赫兹波经棱镜件折射后入射至共振区；向共振区入射的太赫兹波在棱镜侧面处形成倏逝波；当入射太赫兹波与共振区的人工表面等离子体动量匹配时，所述等离子共振件共振区被倏逝波激发共振，产生人工表面等离子极化波使入射的太赫兹波被吸收。/n

【技术特征摘要】
1.基于PE棱镜耦合的可调光栅超材料太赫兹吸波器，其特征在于：所述吸波器包括等离子共振件和棱镜侧面置于等离子共振件的共振区上的棱镜件（2）；所述棱镜件位于吸波器的太赫兹波输入端处，使太赫兹波经棱镜件折射后入射至共振区；向共振区入射的太赫兹波在棱镜侧面处形成倏逝波；当入射太赫兹波与共振区的人工表面等离子体动量匹配时，所述等离子共振件共振区被倏逝波激发共振，产生人工表面等离子极化波使入射的太赫兹波被吸收。


2.根据权利要求1所述的基于PE棱镜耦合的可调光栅超材料太赫兹吸波器，其特征在于：所述等离子共振件的共振区自上而下包括空气层（3）、光栅填充层（5）、光栅凹槽阵列（6）；所述空气层与棱镜件的棱镜侧面相接；所述等离子共振件下端支撑于光栅托架（7）上。


3.根据权利要求2所述的基于PE棱镜耦合的可调光栅超材料太赫兹吸波器，其特征在于：所述棱镜件包括具有三个侧面的三棱柱棱镜；所述三棱柱棱镜的第一侧面与光栅填充层相邻，第二侧面朝向吸波器的太赫兹波输入端；三棱柱棱镜的第一侧面与光栅填充层之间设有空气层；输入吸波器的太赫兹波先后经第二侧面、第一侧面折射后入射至共振区。


4.根据权利要求3所述的基于PE棱镜耦合的可调光栅超材料太赫兹吸波器，其特征在于：三棱柱棱镜的第二侧面朝向吸波器的太赫兹波输入端，第三侧面朝向吸波器的太赫兹波输出端；未被共振区吸收的太赫兹波被共振区反射，再经三棱柱棱镜的第一侧面、第三侧面折射后从第三侧面射出；所述三棱柱棱镜以PE材料成型。


5.根据权利要求4所述的基于PE棱镜耦合的可调光栅超材料太赫兹吸波器，其特征在于：所述等离子共振件或棱镜件与电控线性移动平台（8）相接以调节所述空气层的厚度；所述电控线性移动平台通过调节空气层厚度来对人工表面等离子极化波进行调制，以针对指定频率的太赫兹波进行吸收。


6.根据权利要求5所述的基于PE棱镜耦合的可调光栅超材料太赫兹吸波器，其特征在于：所述吸波器的太赫兹波输入端与太赫兹脉冲发射器（1）相邻；所述吸波器的太赫兹波输出端与太赫...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟舜聪，黄异，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建;35