一种具有超高品质因子的多频带太赫兹超材料谐振器

1.本发明属于超材料技术领域，具体涉及一种具有超高品质因子的多频带太赫兹超材料谐振器。


背景技术：

2.太赫兹(terahertz，简称thz)波是指频率范围在0.1thz-10 thz(波长在3mm-30μm)的电磁波，在电磁波谱中其频谱位于红外电磁波与微波频谱之间，具备红外电磁波与微波的优点。太赫兹辐射的光子能量低于绝大多数的化学键之间的能量，对大多数电介质具有很好的穿透特性。此外，太赫兹波的频带较宽，很多凝聚态体系的声子和其它元激发，以及诸多生物大分子的振动和转动能级都处于这一波段，并且该波段包含了丰富的光谱信息，有利于研究其它物质在该波段的光谱特性，可以通过特征共振对物质进行探测分辨。近30年来，随着太赫兹时域光谱技术以及低维度半导体技术不断发展，欧美、亚洲等各个国家都积极开展对太赫兹波的研究，太赫兹技术在国内外掀起热潮。
3.超材料是由人工加工而成的新型复合材料，是由具有特定几何形状和特定材料的基本单元在空间中进行周期性或非周期性排列构成，其具体的功能取决于基本单元的结构。超材料具有，例如负介电常数、负磁导率、负折射率，反向多普勒平移等超常的电磁特性，进而引起了也来越多的关注与研究。
4.环形偶极子是一种不同于传统电偶极子和磁偶极子的基本电磁激励，它最早由泽尔多维奇在解释原子核的奇偶性违逆时提出的。磁环形偶极子是由沿子午线在环面流动的极化电流产生的，电环形偶极子是由沿环面方向流动的极化电流环产生的。虽然这两种环形偶极子都可以存在于自然介质中，然而其强度较弱，通常被更强的电多极和磁多极所掩盖，导致其难以测量。直到超材料的出现，能够使得环形偶极子响应到可以观测的量级，且环形偶极子能够实现高品质因子的谐振吸引了研究人员的注意。
5.连续体束缚态是保持局域化的波，与可以带走能量的连续辐射波共存。虽然bic最初是在量子力学中提出的，但它是一种普遍的波现象，并且已经在电磁波、空气中的声波、水波和固体中的弹性波中被观察到。理想bic处具有无限高的品质因子，事实上对于一个实际的器件(有限尺寸的结构)，所有可能的理想bic都变成具有高q因子的泄露模式模，也称为准bic(quasi-bic)模。在超表面中可以对具有c2对称性的结构单元引入对称破缺来将bic模式转换成有限高品质因子的准bic模式，利用这种引入对称破缺的方法实现的bic模式称为对称保护型bic。对称保护型bic的品质因子十分依赖非对称量，改变非对称量的大小即可改变对应bic模式下谐振峰的品质因子的高低，2018年physical review letters杂志第121卷19期中提出辐射品质因子的大小与非对称量的负二次方成正比，这一发现为设计支持高品质因子超表面的设计提供了一种新的思路。综上，本发明基于太赫兹超材料的环形偶极子激发的bic获得高品质因子谐振进而可实现高灵敏传感。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种具有超高品质因子的多频带太赫兹超材料谐振器，解决了现有技术中高质量因子金属超材料谐振器中存在的金属易被氧化、高损耗、结构复杂的问题，当在超材料上沉积待测物会改变十字型结构周围的介电环境从而使谐振峰发生频移，通过其极高品质因子的谐振峰的频移可以实现高灵敏度待测物传感。
7.本发明所采用的技术方案是，一种具有超高品质因子的多频带太赫兹超材料谐振器，包括由多个单元呈周期性排布构成，每个所述单元结构相同，均由石英组成的衬底和衬底上面四个由钽酸锂薄膜构成的结构a、结构b、结构c、结构d构成。
8.本发明的特点还在于，
9.衬底的横切面为正方形。
10.衬底的周期为63-70μm，高度为50-80μm。
11.结构a、结构b、结构c、结构d均匀排布设置于衬底上表面，结构a、结构b、结构c、结构d的横切面均为十字形。
12.结构a、结构b、结构c、结构d中心之间的距离相等，均为24-30μm。
13.结构a、结构b、结构c、结构d的高度相等，均为8-13μm。
14.结构a、结构b、结构c、结构d在x和y方向上的长度均相等，均为20-27μm。
15.本发明的有益效果是，一种具有超高品质因子的多频带太赫兹超材料谐振器，相较于具有高质量因子的金属超材料谐振器，由于金属存在不可避免的欧姆损耗，所以基于全介质的一种具有超高品质因子的多频带太赫兹超材料谐振器能够实现更高的质量因子，且结构简单，不需要多层超材料堆叠，稳定性高。
附图说明
16.图1是本发明一种具有超高品质因子的多频带太赫兹超材料谐振器单元的三维视图；
17.图2是本发明一种具有超高品质因子的多频带太赫兹超材料谐振器单元的俯视图；
18.图3是本发明一种具有超高品质因子的多频带太赫兹超材料谐振器在工作频段内的透射光谱图；
19.图4是本发明一种具有超高品质因子的多频带太赫兹超材料谐振器单元用于折射率传感时灵敏度的扫描图。
20.图中，1.衬底，2.结构a，3.结构b，4.结构c，5.结构d。
具体实施方式
21.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
22.本发明一种具有超高品质因子的多频带太赫兹超材料谐振器，结构如图1、图2所示，包括由多个单元呈周期性排布构成，每个所述单元结构相同，均由石英组成的衬底1和衬底1上面四个由钽酸锂薄膜构成的结构a2、结构b3、结构c4、结构d5构成。
23.衬底1的横切面为正方形。
24.衬底1的周期为63-70μm，高度为50-80μm。
25.结构a2、结构b3、结构c4、结构d5均匀排布设置于衬底1上表面，结构a2、结构b3、结构c4、结构d5的横切面均为十字形。
26.结构a2、结构b3、结构c4、结构d5中心之间的距离相等，均为24-30μm。
27.结构a2、结构b3、结构c4、结构d5的高度相等，均为8-13μm。
28.结构a2、结构b3、结构c4、结构d5在x和y方向上的长度均相等，均为20-27μm。
29.通过改变两个y方向上相邻的两个结构单元的长度来引入非对称参数，即引入参数k，打破单元的镜面对称性，能够实现对称保护型连续体束缚态，从而激发具有高质量因子的谐振峰，且质量因子与非对称量的负二次方成正比。
30.附图3给出了在某个参数组合下不同非对称参数k所对应的透射光谱，可以看出能够得到四个谐振峰，按照频率位置从高到低分别定义为mode 1，mode 2，mode 3，mode 4。可以看出mode 2，mode 3，mode 4具有超高的质量因子，且k＝0时消失，意味着此时mode 2，mode 3，mode 4由quasi-bics转化为理想bic，理论上具有无限高的品质因子。且有附图3可看出，随着|k|的增大，mode 2，mode 3，mode 4的质量因子减小，实际上它们的质量因子满足与|k|的负二次方成正比的关系，基于这一点可以为设计支持高品质因子超表面的设计提供了一种新的思路。
31.此外，在相同参数组合的基础上，取非对称参数k＝0.5μm，在一种具有超高品质因子的多频带太赫兹超材料谐振器上沉积21μm的待测物，扫描其折射率，表现出来的传感性能如附图4所示，可以看出mode 2和mode 3均可以实现445ghz/riu以上高灵敏度传感。