一种可调谐太赫兹超材料吸波器

1.本发明涉及超材料和液晶技术领域，特别是涉及一种可调谐太赫兹超材料吸波器。


背景技术：

2.超材料是一种新型的亚波长人工复合结构或复合材料，具有天然材料所不具备的物理性质，如负折射率、逆多普勒效应等。多年来，超材料的研究开发了许多应用领域。液晶是发展主动可调谐光子器件的重要候选方案。它具有良好的宽带光学各向异性和电光、磁光调制特性。液晶是为数不多的在太赫兹波段具有高双折射、低吸收损耗和大相移调谐范围的材料之一。因此，液晶和超材料受到了广泛关注。目前，研究人员已经提出很多液晶超材料吸波结构，但是这些结构在对宽角入射波吸收方面仍然存在不足。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种可调谐太赫兹超材料吸波器，以实现高吸收和宽角入射。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
5.一种可调谐太赫兹超材料吸波器，包括：多个周期排列的吸波单元；每个所述吸波单元包括第一基板、金属图案、液晶、三维金属结构、金属薄膜和第二基板；
6.所述液晶设置在所述第一基板和所述第二基板之间；所述金属图案设置在所述第一基板和所述液晶之间且附着在所述第一基板上；所述金属薄膜设置在所述第二基板和所述液晶之间且附着在所述第二基板上；所述三维金属结构嵌入所述液晶。
7.可选地，所述三维金属结构为旋转45度后的中心对称的十字金属结构，所述十字金属结构包括第一边和第二边；所述第一边和所述第二边垂直。
8.可选地，所述金属图案为中心对称图案；所述金属图案包括第一正方形和四个第二正方形；每个所述第一正方形的顶点均与一个所述第二正方形的顶点连接；所述第一正方形的对角线上的两个所述第二正方形的中心与所述第一正方形的中心位于同一直线上。
9.可选地，所述金属图案的中心与所述三维金属结构的中心重合。
10.可选地，所述金属图案、所述三维金属结构和所述金属薄膜的材料均为铜。
11.可选地，所述第一基板和所述第二基板均为石英玻璃基板。
12.可选地，所述第一基板和所述第二基板均为立方体。
13.可选地，所述石英玻璃基板的介电常数为3.75，所述石英玻璃基板的损耗角正切值为0.0004。
14.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
15.本发明中所述液晶设置在所述第一基板和所述第二基板之间；所述金属图案设置在所述第一基板和所述液晶之间且附着在所述第一基板上；所述金属薄膜设置在所述第二基板和所述液晶之间且附着在所述第二基板上；所述三维金属结构嵌入所述液晶之间。本
发明通过嵌入液晶的三维金属结构构成三维谐振结构，对不同入射角度的电磁波均能产生较强的谐振响应，因此能够吸波器在大的入射角入射的情况下仍然存在吸收效果，从而实现高吸收和宽角入射。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1为本发明实施例基于液晶的可调谐太赫兹超材料吸波器的三维结构示意图；
18.图2为本发明实施例金属图案的俯视图；
19.图3为本发明实施例三维金属结构的俯视图；
20.图4为本发明实施例的侧视图；
21.图5为本发明实施例在液晶介电常数为2.8、3.0、3.2、3.4、3.6时吸收率仿真结果图；
22.图6为本发明实施例在45
°
入射角液晶介电常数3.0情况下斜入射的吸收率仿真结果图；
23.图7为本发明实施例在70
°
入射角液晶介电常数3.0情况下斜入射的吸收率仿真结果图；
24.图8为本发明实施例在80
°
入射角液晶介电常数3.0情况下斜入射的吸收率仿真结果图。
25.符号说明：
26.1-第一基板，2-第二基板，3-金属图案，4-三维金属结构，5-液晶，6-金属薄膜。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.本发明的目的是提供一种可调谐太赫兹超材料吸波器，以实现高吸收和宽角入射。
29.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
30.如图1和图4所示，本发明提供的一种可调谐太赫兹超材料吸波器，包括：多个周期排列的吸波单元，具体为呈连续周期排列的吸波单元；每个所述吸波单元包括第一基板1、金属图案3、液晶5、三维金属结构4、金属薄膜6和第二基板2。
31.所述液晶5设置在所述第一基板1和所述第二基板2之间；所述金属图案3设置在所述第一基板1和所述液晶5之间且附着在所述第一基板1上；所述金属薄膜6设置在所述第二基板2和所述液晶5之间且附着在所述第二基板2上；具体为，金属图案3附着在第一基板1的
下表面，三维金属结构4和金属薄膜6附着在第二基板2的上表面。所述三维金属结构4嵌入所述液晶5。第一基板1和第二基板2之间灌有液晶5，因此，三维金属结构4看起来是嵌入了液晶5内。
32.作为一种可选的实施方式，所述三维金属结构4为旋转45度后的中心对称的十字金属结构，所述十字金属结构包括第一边和第二边；所述第一边和所述第二边垂直。三维金属结构4为斜十字对称结构。三维金属结构4中的每个斜十字的长宽高均相同且旋转45
°
。液晶5整体为立方体，边长为x，厚度为h2。三维金属结构4是由中心对称的正十字旋转45
°
得到，如图3所示，十字宽为w7，十字长为w8，厚度为h3。
33.作为一种可选的实施方式，所述金属图案3为中心对称图案；所述金属图案3包括第一正方形和四个第二正方形；每个所述第一正方形的顶点均与一个所述第二正方形的顶点连接；所述第一正方形的对角线上的两个所述第二正方形的中心与所述第一正方形的中心位于同一直线上。金属图案3是由关于中心对称正方形得到，如图2所示，位于中间的大正方形两两相距w1，大正方形边长w3，大正方形距离边缘w5。小正方形距离边缘w6，同一图案中两个小正方形距离w4,不同图案中小正方形距离w2。
34.作为一种可选的实施方式，所述金属图案3的中心与所述三维金属结构4的中心重合。
35.作为一种可选的实施方式，所述金属图案3、所述三维金属结构4和所述金属薄膜6的材料均为铜。
36.作为一种可选的实施方式，所述第一基板1和所述第二基板2均为石英玻璃基板。所述第一基板1和所述第二基板2均为立方体。两个基板整体为立方体，边长为x，厚度为h1。所述石英玻璃基板的介电常数为3.75，所述石英玻璃基板的损耗角正切值为0.0004。
37.在实际应用中，金属薄膜6、液晶5以及石英玻璃基板的尺寸相同。金属薄膜6和金属图案3整体为正方形薄膜，边长为x。
38.在实际应用中，金属薄膜6和三维金属结构4通过微喷打印技术一体打印制作；金属图案3通过镀膜、光刻和化学刻蚀制作；液晶5通过灌晶机注入到金属薄膜6和金属图案3中间的空隙。
39.在具体的应用中的设置：
40.吸波单元的周期尺寸为x＝400um。金属图案3中间的大正方形两两相距w1＝140um，大正方形边长w3＝60um，大正方形距离边缘w5＝70um。小正方形距离边缘w6＝40um，同一图案中两个小正方形距离w4＝50um,不同图案中小正方形距离w2＝80um。三维金属结构4中十字宽为w7＝50um，十字长为w8＝150um，十字高度为h3＝35um。
41.第一基板1和第二基板2厚度为h1＝400um，介电常数为3.75，损耗角正切值为0.0004；金属薄膜6和金属图案3厚度为0.05um，以金属铜为材质；液晶5的介电常数2.8～3.6。
42.图5为通过软件仿真的吸波体在电磁波垂直入射下的吸收率仿真结果图。液晶介电常数从2.8变化到3.6时，吸收峰从412.32ghz左移到376.6ghz。
43.图6、图7、图8分别为电磁波在入射角为45
°
、70
°
、80
°
时的入射的吸收率仿真结构图。从图6-图8中看出本发明在这些入射角入射的情况下依然存在极高的吸收效果即使在入射角80
°
入射时，吸收率仍然可以达到85％。
44.本发明通过嵌入在液晶中的三维金属结构构成的谐振结构，液晶介电常数从2.8变化到3.6时，吸收峰从412.32ghz左移到376.6ghz。通过三维谐振结构对不同入射角的电磁波均能产生较强的谐振响应，因此吸波器在大的入射角入射的情况下仍然存在吸收效果。本发明提供的可调谐太赫兹超材料吸波器是对称结构，可以吸收任意极化角度的电磁波以及不同极化类型的电磁波。本发明提供的吸波器是基于液晶的特性设计，具有高吸收、宽角入射、极化不敏感等特性。本发明提供的吸波器结构通过参数优化得到，可以产生较好的谐振，尺寸变化会使谐振减弱甚至消失。
45.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
46.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的装置及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。