兼具窄带吸收与极化转换功能的温控太赫兹超材料器件的制作方法

1.本发明属于超材料技术领域，具体涉及一种兼具窄带吸收与极化转换功能的温控太赫兹超材料器件。


背景技术：

2.太赫兹波是频率在0.1～10thz之间的电磁波，真空中的太赫兹波波长在30～3000μm之间，介于微波和红外之间。太赫兹波具有能量低、穿透性强、“指纹”光谱特性等特点，在生物成像、医疗检测、安全检查及其它通信、检测领域具有广泛的应用前景。
3.超材料作为一种人工电磁结构具有自然材料不具备的特殊电磁特性，可实现负介电常数、负磁导率、负折射率等。由于多数自然材料无法在太赫兹波段产生良好的电磁响应，可人工调控电磁响应特性的超材料就成为了实现太赫兹波调控的有效途径，具有各种不同特性的超材料在太赫兹领域展示出了前所未有的前景，获得了人们的广泛关注。
4.随着各种太赫兹器件的发展，太赫兹技术进入了高速发展阶段。极化调控被证明能增强太赫兹波在各种应用中的功能，因而太赫兹极化转换功能器件的发展对于太赫兹应用来说尤为重要。但使用传统材料的太赫兹极化转换器件存在尺寸大、集成度低、损耗高等缺点。
5.然而一般的超材料器件在加工成型后即无法再调整工作频段与功能，且往往无法兼顾工作带宽与转换效率。这在一定程度上限制了超材料在太赫兹调控中的实际运用，所以可调超材料以及各种调节手段成为了发展超材料应用的新思路。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种兼具窄带吸收与极化转换功能的温控太赫兹超材料器件，通过调节器件温度实现器件功能在宽带极化转换与窄带吸收间的转化。
7.本发明所采用的技术方案是，兼具窄带吸收与极化转换功能的温控太赫兹超材料器件，包括设置于温控平台上的太赫兹超材料器件，太赫兹超材料器件由若干个结构相同的正方形的太赫兹超材料单元周期规则排列构成。
8.本发明的特点还在于，
9.太赫兹超材料单元具体结构为：包括自上而下依次排列的二氧化钒与金属共振器层、聚酰亚胺隔离层、金属背板层，金属背板层与温控平台接触，二氧化钒与金属共振器层具体结构为：包括对称设置的弧形的二氧化钒结构a和二氧化钒结构b，二氧化钒结构a和二氧化钒结构b呈背靠背设置，二氧化钒结构a的弧形两端分别与金属弧形a、金属弧形b连接，金属弧形a、二氧化钒结构a、金属弧形b构成一段完整的圆弧，二氧化钒结构a的中心处还垂直设置有金属棒a，金属棒a朝二氧化钒结构a圆心处延伸，二氧化钒结构b的弧形两端分别与金属弧形c、金属弧形d连接，金属弧形c、二氧化钒结构b、金属弧形d构成一段完整的圆弧，二氧化钒结构b的中心处还垂直设置有金属棒b，金属棒b朝二氧化钒结构b圆心处延伸，金属弧形a、二氧化钒结构a、金属弧形b构成的圆弧与金属弧形c、二氧化钒结构b、金属弧形
d构成的圆弧形状相同且对称设置。
10.金属弧形a、二氧化钒结构a、金属弧形b、金属弧形c、二氧化钒结构b、金属弧形d弧形线宽均为2μm
‑
5μm，二氧化钒结构a与二氧化钒结构b相对处圆弧中点之间的间隙为2μm
‑
10μm，金属弧形a、二氧化钒结构a、金属弧形b共同构成的圆弧的总弧长为20
‑
50μm，金属弧形c、二氧化钒结构b、金属弧形d共同构成的圆弧的总弧长为20
‑
50μm，金属弧形a、二氧化钒结构a、金属弧形b构成的圆弧以及金属弧形c、二氧化钒结构b、金属弧形d构成的圆弧半径均为25μm
‑
50μm，金属棒a、金属棒b长度均为20
‑
25μm，金属棒a、金属棒b宽度均为2μm
‑
5μm。
11.金属棒a、金属棒b所在直线的延长线与太赫兹超材料单元的边长成45
°
夹角。
12.二氧化钒与金属共振器层厚度为0.2μm
‑
1μm，聚酰亚胺隔离层采用介电常数为3.5、损耗角正切为0.0027的聚酰亚胺，厚度为30μm
‑
60μm，所述金属背板层为厚度为0.2μm
‑
1μm的金属金。
13.太赫兹超材料单元边长为90μm
‑
110μm。
14.温控平台具体结构为：包括与所述太赫兹超材料器件的金属背板层接触的超材料制备基底，超材料制备基底又依次与半导体制冷及温度传感器层、散热器层连接。
15.超材料制备基底厚度为1mm
‑
5mm，材质为介电常数在3
‑
6之间的玻璃。
16.半导体制冷及温度传感器层与超材料制备基底接触面涂有导热硅脂，所述半导体制冷及温度传感器层与散热器层接触面涂有导热硅脂。
17.散热器层采用立式多金属片结构散热器，材质为铜或铝。
18.本发明的有益效果是，兼具窄带吸收与极化转换功能的温控太赫兹超材料器件，金属图样及二氧化钒共用一层，结构简单、方便加工；极化转换带宽高，转换率高：可实现高达70％的相对带宽，0.93thz
‑
1.63thz间极化转换率大于99％，相对带宽达到54％；窄带吸收q值高，吸收率高：吸收峰q值高达100，峰值吸收率高于95％；采用了相对垂直的圆弧与直棒结构，使两部分共振特性解耦程度高，可以更灵活的调控共振频率，实现高极化转换率与高带宽，通过采用不同的参数同样的结构还可实现线
‑
圆极化转换；调谐手段较现有方案更加便捷简单：本发明提出的一种兼具窄带吸收与极化转换功能的温控太赫兹超材料器件的顶层的二氧化钒与金属共振器层(1)由二氧化钒与金属结构共同构成，借助温控平台可实现二氧化钒金属态
‑
绝缘态的转换，进而形成两种不同的电磁调控功能。
附图说明
19.图1是本发明一种兼具窄带吸收与极化转换功能的温控太赫兹超材料器件单元结构的三维视图；
20.图2是本发明单元结构的俯视图；
21.图3是本发明的工作原理框图；
22.图4是本发明的整体结构示意图；
23.图5是本发明两种工作状态下极化转换性能对比示意图；
24.图6是本发明两种工作状态下窄带吸收性能对比示意图。
25.图中，1.二氧化钒与金属共振器层，2.聚酰亚胺隔离层，3.金属背板层，4.金属弧形a，5.二氧化钒结构a，6.金属棒a，7.金属弧形b，8.金属弧形c，9.金属棒b，10.二氧化钒结构b，11.金属弧形d，12.太赫兹超材料单元，13.太赫兹超材料器件，14.温控平台，15.超材
料制备基底，16.半导体制冷与温度传感器层，17.散热器层。
具体实施方式
26.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
27.本发明兼具窄带吸收与极化转换功能的温控太赫兹超材料器件，结构如图1、图2、图4所示，包括设置于温控平台14上的太赫兹超材料器件13，太赫兹超材料器件13由若干个结构相同的正方形的太赫兹超材料单元12周期规则排列构成。
28.太赫兹超材料单元12具体结构为：包括自上而下依次排列的二氧化钒与金属共振器层1、聚酰亚胺隔离层2、金属背板层3，金属背板层3与所述温控平台14接触，二氧化钒与金属共振器层1具体结构为：包括对称设置的弧形的二氧化钒结构a5和二氧化钒结构b10，二氧化钒结构a5和二氧化钒结构b10呈背靠背设置，二氧化钒结构a5的弧形两端分别与金属弧形a4、金属弧形b7连接，金属弧形a4、二氧化钒结构a5、金属弧形b7构成一段完整的圆弧，二氧化钒结构a5的中心处还垂直设置有金属棒a6，金属棒a6朝二氧化钒结构a5圆心处延伸，二氧化钒结构b10的弧形两端分别与金属弧形c8、金属弧形d11连接，金属弧形c8、二氧化钒结构b10、金属弧形d11构成一段完整的圆弧，二氧化钒结构b10的中心处还垂直设置有金属棒b9，金属棒b9朝二氧化钒结构b10圆心处延伸，金属弧形a4、二氧化钒结构a5、金属弧形b7构成的圆弧与金属弧形c8、二氧化钒结构b10、金属弧形d11构成的圆弧形状相同且对称设置。
29.金属弧形a4、二氧化钒结构a5、金属弧形b7、金属弧形c8、二氧化钒结构b10、金属弧形d11弧形线宽均为2μm
‑
5μm，二氧化钒结构a5与二氧化钒结构b10相对处圆弧中点之间的间隙为2μm
‑
10μm，金属弧形a4、二氧化钒结构a5、金属弧形b7共同构成的圆弧的总弧长为20
‑
50μm，金属弧形c8、二氧化钒结构b10、金属弧形d11共同构成的圆弧的总弧长为20
‑
50μm，金属弧形a4、二氧化钒结构a5、金属弧形b7构成的圆弧以及金属弧形c8、二氧化钒结构b10、金属弧形d11构成的圆弧半径均为25μm
‑
50μm，金属棒a6、金属棒b9长度均为20
‑
25μm，金属棒a6、金属棒b9宽度均为2μm
‑
5μm。
30.金属棒a6、金属棒b9所在直线的延长线与太赫兹超材料单元12的边长成45
°
夹角。
31.二氧化钒与金属共振器层1厚度为0.2μm
‑
1μm，聚酰亚胺隔离层2采用介电常数为3.5、损耗角正切为0.0027的聚酰亚胺，厚度为30μm
‑
60μm，所述金属背板层3为厚度为0.2μm
‑
1μm的金属金。
32.太赫兹超材料单元12边长为90μm
‑
110μm。
33.温控平台14具体结构为：包括与所述太赫兹超材料器件13的金属背板层3接触的超材料制备基底15，超材料制备基底15又依次与半导体制冷及温度传感器层16、散热器层17连接。
34.超材料制备基底15厚度为1mm
‑
5mm，材质为介电常数在3
‑
6之间的玻璃。
35.半导体制冷及温度传感器层16与超材料制备基底15接触面涂有导热硅脂，所述半导体制冷及温度传感器层16与散热器层17接触面涂有导热硅脂。
36.散热器层17采用立式多金属片结构散热器，材质为铜或铝。必要时可配合风扇增强散热能力。
37.本发明中，共振器单元对应的晶格常数周期为p＝90μm
‑
110μm。图3是本发明的工
作原理框图：窄带吸收工作状态下，二氧化钒处于绝缘态几乎不参与共振，金属弧形a4、金属棒a6、金属弧形b7、金属弧形c8、金属棒b9、金属弧形d11构成中心对称的条状金属结构群，形成高q值的窄带吸收特性；极化转换状态下，二氧化钒处于金属态，与金属弧形a4、金属棒a6、金属弧形b7、金属弧形c8、金属棒b9、金属弧形d11共同构成完整的圆弧
‑
直棒结构，形成3种相对可独立调控的共振模式：1、以金属弧形a4、金属弧形b7、金属弧形c8、金属弧形d11及二氧化钒结构a5、二氧化钒结构b10共同构成的相对的圆弧结构为主的共振模式，其主要受圆弧总长调控；2、以金属棒a6、金属棒b9与二氧化钒结构a5、二氧化钒结构b10构成的双t形结构为主的共振模式，其主要受金属棒a6、金属棒b9长度调控；3、以金属弧形a4、金属棒a6、金属弧形b7、金属弧形c8、金属棒b9、金属弧形d11与二氧化钒结构a5、二氧化钒结构b10构成的完整圆弧
‑
直棒结构为主的共振模式，其电流分布沿金属棒a6、金属棒b9构成的直线对称，主要受金属弧形a4与金属棒a6总长度调控，进而在两对称轴方向实现反射波的连续的180
°
相位差，实现宽带极化转换。图4是本发明的整体结构示意图，太赫兹超材料器件底部的金属背板层3后方为超材料制备基底15，超材料制备基底15后为半导体制冷与温度传感器层16，主体结构为半导体制冷片，其中镶嵌温度传感单元，半导体制冷器集成度高、无活动部件且可同时实现制冷制热；半导体制冷与温度传感器层16后方为散热器层17，可快速与周围环境交换热量，使得半导体制冷与温度传感器层16一侧的温度接近于环境温度，提高温度调节能力及调节范围。图5是本发明两种工作状态下极化转换性能对比示意图，由图中可以看出，当器件处于极化转换状态时具有高达70％的相对带宽，在0.93thz
‑
1.63thz间极化转换率均大于99％，相对带宽达到54％，当器件处于窄带吸收工作状态下，极化转换状态下宽带极化转化频段几乎不存在计划转换现象，具有很好的调控效果。图6是本发明两种工作状态下窄带吸收性能对比示意图，由图中可以看出窄带吸收状态下此器件在2.30thz处存在q值高达100的吸收峰，峰值吸收率高于95％，器件从极化转换工作状态变换至窄带吸收工作状态时，原本存在的两个较低吸收峰转化为高q值的单一吸收峰，且峰值吸收率较高。由此可见本发明可以通过调节器件温度的方式调控超材料工作在两不同工作状态下，分别呈现宽带极化转换与窄带吸收特性，实现对宽带极化转换与窄带吸收的有效调控，且具有宽带带宽高、窄带q值高、转换率高、吸收率高等特点。