CN106711619B - 一种太赫兹电磁波吸收器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太赫兹电磁波吸收器，包括多个吸波功能单元，吸波功能单元呈方形体结构，其包括导电膜层厚度为0.4～1.6μm；介质层厚度为20～30μm；吸收层厚度为0.4～1.6μm。吸收层是回转的鱼形线结构，包括4个结构相同的吸收单元，每个吸收单元包括吸收部和一个位于外部的耦合块，吸收部包括多条长吸收条，相邻的两条长吸收条的一个端部之间设置有短连接吸收条，短连接吸收条交错设置在吸收部；相邻的两条长吸收条之间的间距为0.2～0.4μm；吸收部的尾部与耦合块连接；耦合块的长度方向与吸收部的长度方向垂直设置，且耦合块与相邻的另一吸收单元的吸收部的首部连接。本发明可有效对太赫兹波段的电磁波进行吸收。

Description

一种太赫兹电磁波吸收器

技术领域

本发明涉及电磁波吸收器技术领域；具体的说，涉及一种太赫兹电磁波吸收器。

背景技术

太赫兹电磁波是指频率在0.1～10太赫兹之间的电磁波，其波长范围是30微米～3毫米。该频段的电磁波具有很重要的应用。例如，太赫兹电磁波可以承载很大的信息量，满足大数据传输速率的通信要求。因为太赫兹电磁波的波长较小，因此可以被用来探测较小的目标。所以太赫兹电磁波在通信、雷达、成像等领域有重要的应用。根据已有的研究成果，超材料(metamaterial)的性质主要由其结构单元的特殊结构来决定而不是决定于其化学成分。金属-介质-金属三层结构的超材料电磁波吸收器最早是在2008年由N.I.Landy等人提出来的，该吸收器工作在微波波段，他们的研究成果发表在美国物理快报。自此以后，超材料电磁波吸收器的研究引起了人们很大的兴趣，电磁波吸收器的工作频率很快从微波波段发展到太赫兹、红外和可见光范围。但是能够工作在太赫兹波段的高效宽带超薄吸收器的研究工作仍然面临着很大的挑战。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术的不足，提供一种基于超材料设计理念的太赫兹电磁波吸收器，该电磁波吸收器可有效对太赫兹波段的电磁波进行吸收。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种太赫兹电磁波吸收器，包括多个吸波功能单元，吸波功能单元呈方形

体结构，吸波功能单元包括

位于底层的导电膜层，其厚度为0.4～1.6μm；

位于中间层的介质层，其厚度为20～30μm；

位于表层且金属材质的吸收层，其厚度为0.4～1.6μm；

将方形体结构吸波功能单元向x、y方向进行周期延拓，即可得到一种太赫兹电磁波吸收器。所述吸收层包括4个结构相同的吸收单元，吸收层具有旋转对称性，每个吸收单元包括吸收部和一个位于外部的耦合块，吸收部包括多 条长吸收条，相邻的两条长吸收条的一个端部之间设置有短连接吸收条，短连接吸收条交错设置在吸收部；相邻的两条长吸收条之间的间距为0.2～0.4μm；吸收部的尾部与耦合块连接；耦合块的长度方向与吸收部的长度方向垂直设置，且耦合块与相邻的另一吸收单元的吸收部的首部连接。优选的，吸收层呈旋转对称结构，吸收层旋转90度后，结构保持不变。

本发明中的电磁波吸收器在0.7～1.8太赫兹频段内的阻抗近似等于真空的阻抗，因此该频段内的电磁波照射到吸收层时基本上没有反射，大部分都会进入电磁波吸收器。本发明中的吸收部大致呈矩形波设置也被称之为鱼形线(fishline)结构，该结构对电磁波有很强的局域作用。入射的电磁波主要被局域在：长吸收条之间以及长吸收条和耦合块之间的狭缝，相邻吸收单元之间的狭缝。被局域的电磁波在金属损耗和介质损耗下转化成热能，从而达到将电磁波吸收的效果。

长吸收条的长度方向大致呈平行设置，之间可以有夹角；其次，长吸收条可以为线性吸收条；也可以是弧形、波纹型等；相邻的两条长吸收条之间的间距为0.2～0.4μm；以保证吸收太赫兹波段的电磁波。

吸收层的这种回转鱼形线结构(meandering fishline)可以增加鱼形线之间的耦合，产生吸收层内的寄生电容(并联支路电容)，还可以增加干路上的电感。并能产生多重级联的非局域谐振，充分实现电磁波在吸收介质中的定域，实现弱吸收系数条件下的宽频太赫兹吸收。进一步地，长吸收条中的至少一条呈线性设置，且所有长吸收条的长度方向平行设置，耦合块与长吸收条平行设置，耦合块通过短连接吸收条与临近的长吸收条连接；相邻的两个吸收单元中，其中一个吸收单元的最外侧长吸收条通过与之连接的短连接吸收条与另一吸收单元的耦合块连接。

为了提高吸收效率，以及设置较为密集的吸收条，这里将吸收部设置的大致呈矩形波形状。当然也可以大致为锯齿波、正弦波形等；且优选地，吸收部呈矩形波设置，再优选地矩形波为等间距的矩形波。长吸收条可以为不规则形状的条状，也可以为直线型；也可以是一部分线性，一部分其他，如弧形、波浪形等；但每条长吸收条的长度方向平行；从而保证相邻两条长吸收条的间距范围。当然，短吸收条的结构与长吸收条的结构可以大致类同，可以直线、可以不规则；可以是部分直线，部分其他。

进一步地，所述短连接吸收条中的至少一条呈线性设置或中部弯曲形成弧形；当弯曲时，优选地，向外弯曲形成弧形，当然也可以向内弯曲形成弧形。

作为上述波形的一个变形，也可以将矩形波的短连接吸收条设置为弧形。

短连接吸收条可以是全部直线或弧形；可以是部分直线、部分弧形。

进一步地，电磁波吸收器包括多个吸波功能单元，吸波功能单元呈阵列排列且位于同一平面。

进一步地，相邻的两个长吸收条间距为0.2～0.4μm。优选为0.3μm。

进一步地，底层为铜膜层；介质层为熔融石英层；吸收层为铜层。

进一步地，吸收层呈方形设置，其边长为L，L＝45～55μm，耦合块的宽度为2～4μm，优选为3μm；长吸收条的长度为22～27μm，优选为25μm。

优选地，吸波功能单元边长为55～65μm。

本发明的有益效果为：本发明结构可有效对太赫兹波段的电磁波进行吸收。

附图说明

图1为本发明中的一个吸波功能单元的结构示意图。

表面材质为铜，中间部分为熔融石英，底部部分为连续的铜膜。t_d为熔融石英的厚度，t_d的大小在20～30微米之间。

图2为图1的一种正视示意图。

P为吸波功能单元的边长，也可称之为电磁波吸收器的一个吸波功能单元的周期，大小在55～65微米之间。L为吸收层的边长，大小在45～55微米之间。图中g为空气缝隙的宽度，也是细金属条的宽度，大小为0.3微米。h为耦合块的宽，大小在3微米左右。a为耦合块的长，大小在25微米左右。

图3为本发明对偏振角从0度变化到90度的垂直入射电磁波的吸收频谱图。

图4是横电波(TE波)斜入射时的吸收频谱图。

图5是横磁波(TM波)斜入射时的吸收频谱图。

图6为本发明中的介质层的厚度从10微米增加到40微米时的吸收频谱图。

图7是工作在2.2太赫兹至5太赫兹范围的电磁波吸收器中的一个吸波功能单元的结构示意图。

图8为图7的一种正视示意图。

图9是工作在2.2太赫兹至5太赫兹范围的电磁波吸收器对x方向和y方向偏振的垂直入射电磁波的吸收频谱图。

附图标记为：

1——吸收单元；11——耦合块；12——吸收部；2——介质层；3——导电膜层；4——吸收层；121——长吸收条；122——短连接吸收条。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步地说明。

本申请中的方形为正方形。

实施例：请参阅附图1至图9，一种太赫兹电磁波吸收器，多个吸波功能单元，吸波功能单元呈方形体结构，其包括：

位于底层的导电膜层3，其厚度t1为0.4～1.6μm；

位于中间层的介质层2，其厚度t_d为20～30μm；

位于表层且金属材质的吸收层4，其厚度t2为0.4～1.6μm；

所述吸收层4包括4个结构相同的吸收单元1，每个吸收单元1包括吸收部12和一个位于外部的耦合块11，吸收部12包括多条长吸收条121，相邻的两条长吸收条121的一个端部之间设置有短连接吸收条122，短连接吸收条122交错设置在吸收部12；相邻的两条长吸收条121之间的间距为0.2～0.4μm；吸收部12的尾部与耦合块11连接；耦合块11的长度方向与吸收部12的长度方向垂直设置，且耦合块11与相邻的另一吸收单元的吸收部12的首部连接。

优选地，长吸收条121呈线性平行设置；耦合块11与长吸收条121平行设置，耦合块11通过短连接吸收条122与临近的长吸收条121连接；相邻的两个吸收单元中，其中一个吸收单元的最外侧长吸收条121通过与之连接的短连接吸收条122与另一吸收单元的耦合块11连接。所述短连接吸收条呈线性设置或中部弯曲形成弧形；优选地，向外弯曲形成弧形。吸收部呈矩形波设置。

将方形体结构吸波功能单元向x、y方向进行周期延拓，即可得到一种太赫兹电磁波吸收器。

针对不同的t1、t_d、t2进行仿真试验，都大致获得如图3所示的吸收频谱图。

通过仿真计算得到垂直入射的太赫兹波段电磁波的吸收频谱图见图3。从图3可以看出该太赫兹电磁波吸收器在0.7～1.8太赫兹频段内的平均吸收率在 85％以上。并且其吸收能力与入射光的偏振角θ的大小无关，即当入射电磁波的偏振角从0度增大到90度时，吸收曲线基本保持不变。

另外从图4和图5可以看出，该太赫兹电磁波吸收器对斜入射的横电波(TE波)和横磁波(TM波)也有非常强的吸收能力，当入射角增大到70度左右时，仍然保持宽带的吸收，当入射角大于70度后，几个吸收峰的吸收系数仍然很大，因此具有很好的应用前景。图6给出了该发明中的介质厚度对电磁波吸收效果的影响，可以看出随着介质厚度的增加，电磁波的吸收频率范围向低频方向移动。因此我们可以根据实际的电磁波吸收频段的需要，在不改变其它结构参数的前提下，只调整介质层2的厚度就可以满足我们的实际需求。同时，申请人对短连接吸收条形状改变成弧形进行仿真试验，发现其在工作频段内的平均吸收率仍然在75％以上。

进一步地，相邻的两个长吸收条间距为0.2～0.4μm。

当长吸收条121的间距在0.2～0.4μm时，其吸收0.7～1.8太赫兹频段电磁波的吸收率非常高，尤其是0.3μm，平均吸收可达到85％以上。

进一步地，底层为导电膜层；介质层2为熔融石英层；吸收层4为导电层。

在经过多种材料金属——介质——金属材料的选择后，根据本技术方案的结构，材质选择为铜——熔融石英——铜结构。当然，金属底层、吸收层4可以选择其他材料，如银、金等电导率较高的金属，介质层2可采用其他半导体材料层。

进一步地，吸收层4呈方形设置，其边长为L，L＝45～55μm，耦合块11的宽度为2～4μm，长吸收条的长度为22～27μm；吸波功能单元边长为55～65μm。

将图1所示的太赫兹电磁波吸收器的一个方形体结构吸波功能单元的鱼形线结构减少一部分，从而也将整个吸波功能单元的周期P减小(如图7和图8所示)，再将方形体结构吸波功能单元向x、y方向进行周期延拓，即可得到工作在更高太赫兹频段的电磁波吸收器。图7中的太赫兹电磁波吸收器的周期P的取值范围是20～25微米，可以工作在大约2太赫兹至6太赫兹之间。

如图9所示，我们给出了一例具有较小的吸波功能单元的太赫兹电磁波吸收器的吸收频谱图，该吸收器可以对2.2太赫兹至5太赫兹范围内的电磁波实现高效吸收。因为其结构的四度旋转对称性，该太赫兹电磁波吸收器对x方向和y方向偏振的垂直入射电磁波的吸收曲线Ax和Ay是基本重合的。该太赫兹电磁波吸收器在2.2太赫兹至5太赫兹频段内的最大吸收率为99％，最小吸收率为61.6％，平均吸收在80％左右。

以上仅是本申请的较佳实施例，在此基础上的等同技术方案仍落入申请保护范围。

Claims (9)

1.一种太赫兹电磁波吸收器，包括多个吸波功能单元，吸波功能单元呈方形体结构，其特征在于：吸波功能单元包括：

位于底层的导电膜层，其厚度为0.4～1.6μm；

位于中间层的介质层，其厚度为20～30μm；

位于表层且金属材质的吸收层，其厚度为0.4～1.6μm；

所述吸收层包括4个结构相同的吸收单元且具有旋转对称性，每个吸收单元包括吸收部和一个位于外部的耦合块，吸收部包括多条长吸收条，相邻的两条长吸收条的一个端部之间设置有短连接吸收条，短连接吸收条交错设置在吸收部；相邻的两条长吸收条之间的间距为0.2～0.4μm；

吸收部的尾部与耦合块连接；耦合块的长度方向与吸收部的长度方向垂直设置，且耦合块与相邻的另一吸收单元的吸收部的首部连接。

2.根据权利要求1所述的一种太赫兹电磁波吸收器，其特征在于：长吸收条中的至少一条呈线性设置，且所有长吸收条的长度方向平行设置；耦合块与长吸收条平行设置，耦合块通过短连接吸收条与临近的长吸收条连接；相邻的两个吸收单元中，其中一个吸收单元的最外侧长吸收条通过与之连接的短连接吸收条与另一吸收单元的耦合块连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种太赫兹电磁波吸收器，其特征在于：所述短连接吸收条中的至少一条呈线性设置或中部弯曲形成弧形。

4.根据权利要求1所述的一种太赫兹电磁波吸收器，其特征在于：吸波功能单元呈阵列排列且位于同一平面。

5.根据权利要求1所述的一种太赫兹电磁波吸收器，其特征在于：相邻的两个长吸收条间距为0.3μm。

6.根据权利要求1所述的一种太赫兹电磁波吸收器，其特征在于：底层为导电膜层；介质层为熔融石英层；吸收层为导电层。

7.根据权利要求1所述的一种太赫兹电磁波吸收器，其特征在于：吸收层呈方形设置，其边长为L，L＝45～55μm，耦合块的宽度为2～4μm，长吸收条的长度为22～27μm。

8.根据权利要求7所述的一种太赫兹电磁波吸收器，其特征在于：耦合块的宽度为3μm，长吸收条的长度为25μm。

9.根据权利要求1所述的一种太赫兹电磁波吸收器，其特征在于：吸波功能单元的边长为55～65μm。

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