專利名稱：基于人工電磁材料的太赫茲波非對(duì)稱傳輸器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是ー種電磁波的傳輸控制器件，尤其是太赫茲波段線偏振轉(zhuǎn)換的非對(duì)稱傳輸控制器件。
背景技術(shù)：
太赫茲(THz)波一般是指頻率在O. ITHz-lOTHz范圍內(nèi)的電磁波，其波段位于微波與紅外波之間，有著重要的學(xué)術(shù)和應(yīng)用研究?jī)r(jià)值。長(zhǎng)期以來(lái)，科研人員一直在尋求可以控制太赫茲波傳輸?shù)钠骷?。然而常?guī)材料難于在太赫茲波段實(shí)現(xiàn)電磁響應(yīng)，特別是磁響應(yīng)，使得人們?cè)谘兄铺掌澠骷?，?shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的探測(cè)和操縱時(shí)面臨很多限制。人工電磁材料(Metamaterials)的出現(xiàn)恰好彌補(bǔ)了這ー缺憾。近幾年，基于人工電磁材料的太赫茲開關(guān)、調(diào)制器、移相器、傳感器、探測(cè)器、濾波器、吸波器等陸續(xù)出現(xiàn)，顯示出人工電磁材料在太赫茲科學(xué)和技術(shù)發(fā)展中巨大的應(yīng)用潛力。 人工電磁材料是亞波長(zhǎng)量級(jí)的結(jié)構(gòu)單元按一定規(guī)律排列所構(gòu)成的材料，可以實(shí)現(xiàn)天然材料所沒(méi)有的電磁特性，如負(fù)折射、完美透鏡、隱身斗篷等。2006年，N. Zheludev等人在平面手性人工電磁材料研究中發(fā)現(xiàn)了ー個(gè)新的、重要的電磁學(xué)效應(yīng)-圓轉(zhuǎn)換ニ向色性，導(dǎo)致了宏觀的非対稱傳輸現(xiàn)象。各向異性的平面手性人工電磁材料中的圓偏振光非對(duì)稱傳輸依次在微波段、太赫茲波段和光波段得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。理論仿真與微波段的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)圓偏振光的非対稱傳輸發(fā)生時(shí)，也將伴隨著吸收和反射的非対稱性。最近發(fā)現(xiàn)，圓轉(zhuǎn)換ニ向色性不一定需要本征2維手性結(jié)構(gòu)，通過(guò)控制人工電磁材料與入射波的相對(duì)方位形成外致2維手性關(guān)系，也可觀察到圓轉(zhuǎn)換ニ向色性。同濟(jì)大學(xué)利用級(jí)聯(lián)非線性手性原子實(shí)現(xiàn)了亞波長(zhǎng)電磁“ニ極管”，觀察到了微波的非対稱傳輸現(xiàn)象，并研究了微波段超薄人工電磁材料波導(dǎo)的非対稱傳輸現(xiàn)象，分析了層間倏逝波的耦合強(qiáng)度對(duì)非對(duì)稱現(xiàn)象的影響。非対稱傳輸現(xiàn)象為太赫茲偏振波傳輸?shù)姆较蛘{(diào)控提供了新的途徑，對(duì)實(shí)現(xiàn)太赫茲隔尚器、太赫茲~■極管、太赫茲開關(guān)等超材料功能器件具有重大意義。人工電磁材料的非對(duì)稱傳輸現(xiàn)象以來(lái)，相關(guān)研究受到了廣泛關(guān)注。目前這方面研究多局限于圓偏振，未見(jiàn)太赫茲線偏振波轉(zhuǎn)換的非對(duì)稱傳輸?shù)南嚓P(guān)研究，尚沒(méi)有任何一個(gè)基于人工電磁材料的太赫茲波非對(duì)稱傳輸器件的提出。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供ー種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制備、價(jià)格低廉，能有效地實(shí)現(xiàn)太赫茲線偏振轉(zhuǎn)換的單向傳輸?shù)幕谌斯る姶挪牧系奶掌澆ǚ菍?duì)稱傳輸器件。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的包括介質(zhì)層和雙層人工電磁材料層；所述的介質(zhì)層位于雙層人工電磁材料層之間，介質(zhì)層是單晶硅或者有機(jī)高分子聚合物介質(zhì)材料，厚度為微米量級(jí)；所述的雙層人工電磁材料層位于介質(zhì)層兩側(cè)的表面，雙層人工電磁材料層均由周期性排列的人工電磁材料基本單元構(gòu)成，其膜層厚度為200納米以上；所述人工電磁材料層的基本單元為一定寬度的直線型、L型或者連續(xù)U型的金屬結(jié)構(gòu)。本發(fā)明還可以包括I、所述金屬結(jié)構(gòu)采用金材料。2、雙層人工電磁材料層的基本單元的金屬結(jié)構(gòu)形狀相同。3、雙層人工電磁材料層的基本単元的金屬結(jié)構(gòu) 形狀不相同。4、雙層人工電磁材料層的基本單元的金屬結(jié)構(gòu)形狀均為連續(xù)U型，兩層中連續(xù)U型人工電磁材料基本単元結(jié)構(gòu)尺寸相同，結(jié)構(gòu)單元之間的旋轉(zhuǎn)角為90度。5、雙層人工電磁材料層的基本單兀的金屬結(jié)構(gòu)形狀ー層為直線型，另ー層為L(zhǎng)型，L形金屬薄膜的兩邊長(zhǎng)不相等，L形金屬條與直線金屬條寬度相等。人工電磁材料基本單元的周期為P，金屬結(jié)構(gòu)的線寬為W，介質(zhì)層厚度為t，器件工作在太赫茲波段。本發(fā)明提供了一種基于人工電磁材料的太赫茲波非對(duì)稱傳輸器件，利用雙層手性人工電磁材料實(shí)現(xiàn)太赫茲線偏振波轉(zhuǎn)換的非對(duì)稱傳輸。該太赫茲波非對(duì)稱傳輸器件具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制備、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，太赫茲線偏振波轉(zhuǎn)換的非対稱傳輸現(xiàn)象顯著，有效地實(shí)現(xiàn)太赫茲線偏振轉(zhuǎn)換的單向傳輸。本發(fā)明所提出的太赫茲波非対稱傳輸器件具有強(qiáng)的線偏振轉(zhuǎn)換ニ向色性，雙層手性結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了太赫茲線偏振波轉(zhuǎn)換的非対稱傳輸。該器件將可實(shí)現(xiàn)太赫茲波隔離器或太赫茲波ニ極管，對(duì)太赫茲人工電磁材料功能器件的發(fā)展具有重要意義。


圖I (a)是本發(fā)明的第一種實(shí)施方式的立體結(jié)構(gòu)示意圖，圖I (b)是本發(fā)明的第一種實(shí)施方式的正面及其基本結(jié)構(gòu)參數(shù)。圖2 (a)_圖2 (b)是本發(fā)明的第一種實(shí)施方式的工作原理不意圖。圖3 Ca)是本發(fā)明的第二種實(shí)施方式的立體結(jié)構(gòu)示意圖，圖3 (b)是本發(fā)明的第ニ種實(shí)施方式的正面及其基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，圖3 (c)是本發(fā)明的第二種實(shí)施方式的反面及其基本結(jié)構(gòu)參數(shù)。圖4 (a)-圖4 (b)是本發(fā)明的第二種實(shí)施方式的工作原理示意圖。圖5是本發(fā)明的第一種實(shí)施方式的透射(Γ;，な)曲線。圖6是本發(fā)明的第二種實(shí)施方式的透射(Txx，Txy, ，Txr)曲線。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)的描述。本發(fā)明的第一種實(shí)施方式如圖I所不，太赫茲波非對(duì)稱傳輸器件S-1,包括介質(zhì)層I和雙人工電磁材料層2、3 ;介質(zhì)層位于雙人工電磁材料層之間，采用有機(jī)高分子聚合物介質(zhì)材料，寬度P = 75 μ m ;雙人工電磁材料層位于介質(zhì)層兩側(cè)的表面，每層由周期性排列的連續(xù)U型人工電磁材料基本單元構(gòu)成，其中A = 15. 75 μ m, r2 = 22. 75 μ m, a = 24 μ m, w=7μπι，人工電磁材料采用金材料，其膜層厚度為200納米以上。下面再結(jié)合附圖2進(jìn)ー步說(shuō)明實(shí)施方案，首先為非對(duì)稱傳輸器S-I設(shè)置ー個(gè)XYZ坐標(biāo)系，X軸與晶格單兀的長(zhǎng)度方向平行，Z軸垂直于非對(duì)稱傳輸器的表面。如圖2 (a)所不，X方向偏振的線偏振光4沿Z軸正向垂直入射到上述非對(duì)稱傳輸器表面后,透射光為5。再令其沿Z軸負(fù)向垂直入射到上述非対稱傳輸器表面，透射光為6，如圖2 (b).分別計(jì)算其透射率^(透射波振幅/入射波振幅)，下標(biāo)i、j分別代表入射光和透射光的偏振態(tài)，上標(biāo)d代表入射光的波矢方向，沿Z軸正向則為+，Z軸負(fù)向則為_。太赫茲波非對(duì)稱傳輸器S-I的透射幅值ね,ら曲線如圖5所示。圖中可以看出，在2. 5THz至3. 5THz之間，な與ら有著顯著的差異，線偏振波表現(xiàn)出正向與反向傳輸之間的非対稱性，本發(fā)明的第二種實(shí)施方式如圖3所示，太赫茲波非対稱傳輸器件S-2，包括介質(zhì)層7和雙人工電磁材料層8、9 ;介質(zhì)層位于雙人工電磁材料層之間，采用有機(jī)高分子聚合物介質(zhì)材料，寬度P = 75 μ m ;雙人工電磁材料層分別為L(zhǎng)型人工電磁材料層8和線型人工電磁材料層9,其中I1 = 50 μ m, I2 = 25 μ m, I3 = 60 μ m,w = 10 μ m。人工電磁材料采用金材料，其膜層厚度為200納米以上。 下面再結(jié)合附圖4進(jìn)ー步說(shuō)明實(shí)施方案，首先為非對(duì)稱傳輸器S-2設(shè)置ー個(gè)XYZ坐標(biāo)系，X軸與晶格單兀的長(zhǎng)度方向平行，Z軸垂直于非對(duì)稱傳輸器的表面。如圖4 (a)所示，線偏振光4沿Z軸正向垂直入射到上述非対稱傳輸器表面后，透射光為10。再令其沿Z軸負(fù)向垂直入射到上述非対稱傳輸器表面，透射光為11，如圖4(b)所示。分別計(jì)算其透射率^(透射波振幅/入射波振幅)，下標(biāo)i、j分別代表入射光和透射光的偏振態(tài)，上標(biāo)d代表入射光的波矢方向，沿Z軸正向?yàn)?, Z軸負(fù)向則為_。太赫茲波非對(duì)稱傳輸器件S-2的透射幅值Τχχ，Τχγ,，Γ燈曲線如圖6所示。圖中可以看出在I. 5ΤΗζ-3ΤΗζ之間，和^有著明顯的差異，線偏振波表現(xiàn)出正向與反向傳輸之間的非対稱性。特別是當(dāng)入射線偏波頻率在2. 3ΤΗζ處，Txx和Tyy都比較小，該方案可實(shí)現(xiàn)高性能太赫茲線偏振轉(zhuǎn)換的非対稱傳輸器件。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到，這里所述的實(shí)施例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理，應(yīng)被理解為發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于這樣的特別陳述和實(shí)施例。凡是根據(jù)上述描述做出各種可能的等同替換或改變，均被認(rèn)為屬于本發(fā)明的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于人工電磁材料的太赫茲波非對(duì)稱傳輸器件，包括介質(zhì)層和雙層人工電磁材料層；其特征在于所述的介質(zhì)層位于雙層人工電磁材料層之間，介質(zhì)層是單晶硅或者有機(jī)高分子聚合物介質(zhì)材料，厚度為微米量級(jí)；所述的雙層人工電磁材料層位于介質(zhì)層兩側(cè)的表面，雙層人工電磁材料層均由周期性排列的人工電磁材料基本單元構(gòu)成，其膜層厚度為200納米以上；所述人工電磁材料層的基本單元為一定寬度的直線型、L型或者連續(xù)U型的金屬結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于人工電磁材料的太赫茲波非対稱傳輸器件，其特征是所述金屬結(jié)構(gòu)采用金材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于人工電磁材料的太赫茲波非対稱傳輸器件，其特征是雙層人工電磁材料層的基本単元的金屬結(jié)構(gòu)形狀相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于人工電磁材料的太赫茲波非對(duì)稱傳輸器件,其特征是雙層人工電磁材料層的基本単元的金屬結(jié)構(gòu)形狀不相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于人工電磁材料的太赫茲波非対稱傳輸器件，其特征是雙層人工電磁材料層的基本單元的金屬結(jié)構(gòu)形狀均為連續(xù)U型，兩層中連續(xù)U型人工電磁材料基本單元結(jié)構(gòu)尺寸相同，結(jié)構(gòu)單元之間的旋轉(zhuǎn)角為90度。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于人工電磁材料的太赫茲波非対稱傳輸器件，其特征是雙層人工電磁材料層的基本単元的金屬結(jié)構(gòu)形狀ー層為直線型，另ー層為L(zhǎng)型，L形金屬薄膜的兩邊長(zhǎng)不相等，L形金屬條與直線金屬條寬度相等。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種基于人工電磁材料的太赫茲波非對(duì)稱傳輸器件。包括介質(zhì)層和雙層人工電磁材料層；所述的介質(zhì)層位于雙層人工電磁材料層之間，介質(zhì)層是單晶硅或者有機(jī)高分子聚合物介質(zhì)材料，厚度為微米量級(jí)；所述的雙層人工電磁材料層位于介質(zhì)層兩側(cè)的表面，雙層人工電磁材料層均由周期性排列的人工電磁材料基本單元構(gòu)成，其膜層厚度為200納米以上；所述人工電磁材料層的基本單元為一定寬度的直線型、L型或者連續(xù)U型的金屬結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的太赫茲波非對(duì)稱傳輸器件具有強(qiáng)的線偏振轉(zhuǎn)換二向色性，雙層手性結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了太赫茲線偏振波轉(zhuǎn)換的非對(duì)稱傳輸?？蓪?shí)現(xiàn)太赫茲波隔離器或太赫茲波二極管，對(duì)太赫茲人工電磁材料功能器件的發(fā)展具有重要意義。
文檔編號(hào)G02F1/01GK102692732SQ20121016263
公開日2012年9月26日 申請(qǐng)日期2012年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月24日
發(fā)明者關(guān)春穎, 劉星辰, 史金輝, 朱正, 王政平 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)