背景

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明的實(shí)施例大體上涉及用于從電磁輻射獲取能量的結(jié)構(gòu)和方法，并且更具體地，涉及用于從例如紅外光、近紅外光及可見光譜獲取能量以及從毫米波及太赫茲(THz)波中獲取能量的納米結(jié)構(gòu)、超材料及相關(guān)方法。

背景技術(shù)：

如今世界非常需要便宜的可再生能源。諷刺的是，陽光和熱量形式的可用能源很充足，但是需要將其轉(zhuǎn)換為電能形式方可用來支持社會(huì)需要。現(xiàn)今使用的絕大多數(shù)電能都是從有關(guān)熱量轉(zhuǎn)換的過程中得來。以核能、煤、柴油及天然氣為動(dòng)力的發(fā)電廠，均將所儲(chǔ)存的能量形式轉(zhuǎn)換為熱量以轉(zhuǎn)換成電能。這些發(fā)電廠的工藝效率低，通常產(chǎn)生的余熱比轉(zhuǎn)換為電能的更多。

以低成本將獲取的熱源轉(zhuǎn)換為可用電能是尤為需要的。在這一點(diǎn)上低成本的渦輪機(jī)相關(guān)的技術(shù)方案已得到認(rèn)可。因此，將熱量轉(zhuǎn)換為電能的新技術(shù)方案的存在面臨著比較成熟的環(huán)境。由于需求及固定定價(jià)的環(huán)境，新技術(shù)開始處理這一問題。這些新技術(shù)包括熱光伏(TPV)、熱電(TE)及有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)系統(tǒng)。

TPV技術(shù)在熱轉(zhuǎn)換上曾進(jìn)展艱難，因?yàn)楣夥?PV)轉(zhuǎn)換與熱相關(guān)的紅外光(IR)及近IR光譜范圍內(nèi)的短波輻射而不轉(zhuǎn)換長波。將這樣的長波能量應(yīng)用至光伏(PV)電池的新微米間隙方法，仍需要更適合該長波輻射入射的轉(zhuǎn)換技術(shù)。PV電池帶隙僅對(duì)高能光子起作用，因?yàn)榈湍芄庾記]有能量越過該帶隙并最終被吸收，從而在PV電池中產(chǎn)生熱量。

熱電效應(yīng)僅能夠以低效率將熱量轉(zhuǎn)換為電能。至今，熱電(TE)將熱量轉(zhuǎn)換為電能的應(yīng)用已經(jīng)不能夠在能量轉(zhuǎn)換中發(fā)揮實(shí)質(zhì)性的功效。盡管如此，TE仍應(yīng)用于余熱的回收，這進(jìn)一步證明需要采用可替代熱源來進(jìn)行電轉(zhuǎn)換的技術(shù)。

有機(jī)郎肯循環(huán)(ORC)技術(shù)通過將渦輪機(jī)與熱交換器連接在一起來獲取余熱，每個(gè)熱交換器在其系統(tǒng)內(nèi)具有較低沸點(diǎn)的液體。不幸的是，ORC系統(tǒng)體積龐大并且具有大量活動(dòng)部件。這些系統(tǒng)也受液體特性限制，并最終受工作空間內(nèi)附加系統(tǒng)的時(shí)間、空間及臨界效果的限制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

成對(duì)的納米天線及二極管陣列的表面技術(shù)在能量收集應(yīng)用上表現(xiàn)出很大的優(yōu)勢。這些系統(tǒng)在余熱回收領(lǐng)域是理想的，因?yàn)樗鼈儧]有活動(dòng)部件，制造成本低并能夠被調(diào)諧至目標(biāo)源的頻譜。將系統(tǒng)的收集元件調(diào)諧至目標(biāo)源的頻譜特性的能力使這些技術(shù)不僅在余熱應(yīng)用上，而且對(duì)于一般的熱量收集，以及最后的太陽能收集，也是理想的。

本文所述實(shí)施例包括利用超材料設(shè)計(jì)，調(diào)諧至熱源頻譜特性的方法。收集器和源調(diào)諧的結(jié)合，使其成為從各種源獲取能量的有效方法。除了對(duì)源的調(diào)諧以及收集元件，本文所述實(shí)施例采用了能夠使熱能有效耦合到納米結(jié)構(gòu)的方法，以獲取能量。

在實(shí)施例中，超材料裝置充當(dāng)正在傳播的電磁場與集中的電磁場之間的轉(zhuǎn)換器，以作為輻射量子耦合至基于天線的能量接收器的有效路徑。這種結(jié)構(gòu)能夠超越黑體輻射的限制。這些系統(tǒng)的收集器陣列部件稱為納米天線電磁收集器(NEC)。

已經(jīng)開發(fā)了各種基于納米結(jié)構(gòu)的超材料表面處理，用以增加從熱源獲取的能量。超材料層將熱體的熱輻射調(diào)諧至處于能量高效轉(zhuǎn)換的優(yōu)化頻道。這些方法已被證明能夠?qū)崿F(xiàn)價(jià)格合理且大規(guī)模的裝置建造。

本發(fā)明的實(shí)施例還包括從遠(yuǎn)場平面波獲取電磁輻射、從近場消散波和/或等離激元波獲取電磁(EM)輻射、以及利用遠(yuǎn)場和近場效應(yīng)的組合獲取電磁輻射系統(tǒng)和方法。用于獲取并集中能量的系統(tǒng)和裝置包括共振天線結(jié)構(gòu)和超材料膜。用于能量轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)和裝置包括整合到天線裝置中的各種類型的整流工藝，這些天線裝置在本文中也稱為整流天線。能量轉(zhuǎn)換裝置和方法包括，但不限于：金屬-絕緣體-金屬(MIM)、金屬-絕緣體-絕緣體-金屬(MIIM)、以及行波二極管(TWD)裝置。

在一實(shí)施例中，本發(fā)明為包括共振元件的能量采集系統(tǒng)，該共振元件被調(diào)諧至可用輻射能量的頻率范圍內(nèi)。通常，這些頻率的所在范圍大約為從處于紅外頻段的10THz至超過1000THz(可見光)。在一實(shí)施例中，這些共振元件由導(dǎo)電材料組成，并與傳送元件相連接。該傳送元件將共振元件內(nèi)激發(fā)起的電能傳換成直流電，由此構(gòu)成共振和傳送元件對(duì)。在一實(shí)施例中，該共振元件和傳送元件對(duì)布置在陣列中，而該陣列則嵌入基板中并與其相互連接，由此形成電源，該電源例如用于電路或其他需要有源電能來運(yùn)行的設(shè)備或裝置。在2012年12月7日遞交的、發(fā)明名稱為“用于將電磁輻射轉(zhuǎn)換為電能的系統(tǒng)及方法”的美國專利申請(qǐng)13/708,481(美國專利申請(qǐng)公開號(hào)US 2013/0146117)(“481申請(qǐng)”)，在2013年12月16日遞交的、發(fā)明名稱為“在高含水量介質(zhì)中利用THz頻譜指紋識(shí)別材料的系統(tǒng)和方法”的美國專利申請(qǐng)14/108,138(美國專利申請(qǐng)公開號(hào)US 2014/0172374)(“138申請(qǐng)”)，以及在2014年2月21日遞交的、發(fā)明名稱為“將電磁輻射轉(zhuǎn)換為電能的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和方法”的美國專利申請(qǐng)14/187,175(如附錄A，該副本附在美國臨時(shí)申請(qǐng)62/015,121中，并通過引用，將其并入至本文的全文中)(“175申請(qǐng)”)中描述了共振元件和傳送元件實(shí)施例的其他細(xì)節(jié)，由此通過引用，將上述各元件并入至本文的全文中。

除了上述共振元件和傳送元件，在一實(shí)施例中，材料表面改為超材料。超材料使得該表面能夠輻射出能量，該能量的頻譜匹配對(duì)其進(jìn)行采集的NEC部件的頻譜。在一實(shí)施例中，超材料包括由具有特定深度、面積和間距的孔所構(gòu)成的格柵。這些孔在特定頻率下產(chǎn)生人工表面共振。這種操作類似于金屬表面的表面等離激元。電磁場集中在將會(huì)放置NEC裝置的孔上方。進(jìn)一步地，可獲取的能量大部分集中在近場，該近場定義為距離該表面處于光波長內(nèi)的區(qū)域。在一實(shí)施例中，NEC置于距離各個(gè)孔上方3μm處，并且該表面和NEC被調(diào)諧至1THz。在另一實(shí)施例中，NEC置于近場內(nèi)，位于各個(gè)孔上的某一距離處，該距離為小于引起表面共振的特定頻率下的波長的0.5倍。在實(shí)施例中，NEC置于部分孔上方，而不是在所有孔上方。在一實(shí)施例中，孔的特定尺寸以及孔的布置根據(jù)表示光與材料之間的相互作用的麥斯維爾方程，并通過計(jì)算機(jī)模擬來確定。例如在一實(shí)施例中，孔距為50μm，孔徑為10μm且孔深為40μm。所用模擬軟件為可從COMSOL有限公司購得的COMSOL，以及可從Lumerical技術(shù)有限公司購得的Lumerical。

在一實(shí)施例中，該裝置的部件、元件和基板由可使自身以低成本方法如卷對(duì)卷加工，生產(chǎn)的金屬和材料組成。

在一實(shí)施例中，本發(fā)明為將熱量轉(zhuǎn)換為電力的系統(tǒng)，其包括具有表面的超材料、以及整流天線，超材料的表面被調(diào)整為在所需頻率下產(chǎn)生增強(qiáng)電場，該整流天線置于增強(qiáng)電場上方一定距離處，以與所產(chǎn)生的電場相互作用，并由此產(chǎn)生電力。在一實(shí)施例中，超材料的表面包括具有某一尺寸和間距的多個(gè)孔，以引發(fā)該表面在所需頻率下產(chǎn)生增強(qiáng)電場，并且其中整流天線置于各個(gè)孔上方。在另一實(shí)施例中，超材料的表面包括具有某一尺寸和間隔的多根柱，以引發(fā)該表面在所需頻率下產(chǎn)生增強(qiáng)電場。

附圖說明

圖1A為支持表面等離激元共振的金屬表面電場的曲線圖。

圖1B為金屬表面上下電場強(qiáng)度對(duì)距離的函數(shù)曲線圖。

圖2為示出了在半無窮大的鋁樣本上方各個(gè)高度處，局域態(tài)密度相對(duì)于頻率的曲線圖。

圖3為示出了距離金屬表面各個(gè)距離處，在寬頻譜下每單位體積每單位頻率所發(fā)出的能量曲線圖。

圖4A和4B示出了在金屬表面產(chǎn)生等離激元共振的一個(gè)超材料結(jié)構(gòu)中的各元件相互關(guān)系。

圖5A和5B示出了超材料結(jié)構(gòu)元件的橫截面。

圖6A和6B示出了對(duì)置于超材料的表面其中一個(gè)孔附近的整流天線的電場強(qiáng)度模擬結(jié)果三維圖。

圖7為整流天線置于結(jié)構(gòu)孔上的超材料結(jié)構(gòu)橫截面圖。

圖8示出了能夠獲取地?zé)岬南到y(tǒng)橫截面圖。

圖9示出了圖8所示系統(tǒng)的三維圖。

圖10示出了THz源與THz傳感器相配以提供電力輸出的實(shí)施例，電力輸出通過電力總線來承載，向電氣裝置供電。

具體實(shí)施方式

展示下文是為了使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠制造并使用本發(fā)明，并且下文按照專利申請(qǐng)的用語及其要求進(jìn)行撰寫。對(duì)所述實(shí)施例的各種修改對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的，本文的通用原理可適用于其他實(shí)施例。因此，本發(fā)明不應(yīng)視為受所示實(shí)施例限制，而應(yīng)視為符合與本文所述的原理和特征相一致的最寬范圍。

圖1A為支持表面等離激元共振的金屬表面電場的曲線圖。圖1B為金屬表面上下電場強(qiáng)度對(duì)距離的函數(shù)曲線圖，其中δ_d為在表面上的距離，δ_m為在表面下的距離。圖2為示出了在半無窮大的鋁樣本上方各個(gè)高度處，局域態(tài)密度相對(duì)于頻率的曲線圖。局域態(tài)密度表示可用輻射量子態(tài)的數(shù)量，局部態(tài)密度越大自然會(huì)使得光能密度更高。圖2顯示在表面等離激元頻率下，局部態(tài)密度強(qiáng)力提升，這意味著光能密度的強(qiáng)力提升可以在該頻率實(shí)現(xiàn)。金屬的表面等離激元頻率不能夠調(diào)諧。因此，有必要采用超材料的概念，超材料允許我們?cè)O(shè)計(jì)表面等離激元頻率能夠調(diào)諧的人工結(jié)構(gòu)表面。圖3為距離超材料的表面各個(gè)距離處，在寬頻譜下每單位體積每單位頻率所發(fā)出的能量曲線圖，其中該超材料被設(shè)計(jì)為在1THz下表現(xiàn)為表面等離激元模式。其顯示在表面等離激元頻率下，光能密度強(qiáng)力提升。

圖1A、1B、2和3展示了超材料能夠被設(shè)計(jì)為，在可調(diào)諧的共振頻率下，產(chǎn)生具有增強(qiáng)場強(qiáng)的電場。如下文所述，在實(shí)施例中，超材料被設(shè)計(jì)為當(dāng)存在與熱量相關(guān)的頻率時(shí)，表現(xiàn)出共振，并因此呈現(xiàn)增強(qiáng)電場。整流天線置于電場內(nèi)，以將電場的能量轉(zhuǎn)化為電力。在一實(shí)施例中，整流天線是這樣的裝置，其具有響應(yīng)電場的天線元件，以及將天線元件輻射出的能量轉(zhuǎn)換為電力的轉(zhuǎn)換裝置，例如MIM二極管或MIIM二極管。

圖4A和4B是在熱對(duì)象408表面上的超材料結(jié)構(gòu)的示范性示意圖。利用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的平板印刷和蝕刻方法在表面405上制造孔401。在一實(shí)施例中，由尺寸402(長度)和403(寬度)表示的孔401的尺寸(或面積)，孔401之間的間距406，以及孔401的深度407由入射到熱表面405和結(jié)構(gòu)408元件的模擬電磁波來確定，使得超材料表面在所需頻率或在所需頻率附近支持強(qiáng)力的表面共振。在實(shí)施例中，所需頻率為1THz。圖2和3示出了在1THz附近的這種表面共振的示例。例如在一實(shí)施例中，該模擬利用給定的幾何結(jié)構(gòu)，從數(shù)值上解開了麥斯維爾方程。圖4B示出了在特定實(shí)施例中用于三維模擬的示范性幾何結(jié)構(gòu)。在該實(shí)施例中，孔具有表面尺寸a和b，分別表示寬度和長度。該尺寸a和b是相等的，即該孔為正方形，共振頻率近似為：

其中ω_pl為有效等離激元共振頻率，c₀為光速，a為孔的大小，ε_h為介電常數(shù)并且μ_h為材料的磁導(dǎo)率。

電磁波，例如光，表現(xiàn)出偏振現(xiàn)象。由于環(huán)境/材料邊界條件引起散射和吸收，會(huì)出現(xiàn)各種偏振模。超材料能夠被設(shè)計(jì)為響應(yīng)各種偏振模式中并從中提取能量。例如，如果尺寸a和b不相等，即孔為矩形，超材料變?yōu)楦飨虍愋圆?duì)不同的偏振表現(xiàn)出不同的響應(yīng)。類似地在一實(shí)施例中，方向x上的間隔d可以不同于方向y上的間隔d。隨著x方向和y方向的間隔d不同，超材料變?yōu)楦飨虍愋圆?duì)不同的偏振表現(xiàn)出不同的響應(yīng)。

為了確定孔尺寸和孔距以獲得所需的共振頻率，圖5A和5B示出了根據(jù)一實(shí)施例的用于二維模擬的示范性幾何結(jié)構(gòu)。在一實(shí)施例中，孔距和孔尺寸構(gòu)成超材料408的孔401的周期性結(jié)構(gòu)。同樣地，示范性模擬能夠通過利用僅包含一個(gè)單元體的計(jì)算單元和周期性邊界條件來簡化。對(duì)于垂直于超材料表面的方向，使用吸收邊界條件模擬無限的介質(zhì)。在圖5A中，尺寸分別用402、403和407來指示長度、寬度和深度，406則用于指示孔距406。在圖5B中，尺寸表示為a(孔面積)、d(孔深)、以及p(孔距)。

在一典型模擬中，具有固定波長的平面波發(fā)射到超材料表面上，并計(jì)算后續(xù)的反射功率。在某一波長范圍內(nèi)重復(fù)這種模擬來獲得反射率頻譜。反射率頻譜應(yīng)當(dāng)在表面等離激元共振的波長處表現(xiàn)為下降。然后調(diào)整超材料表面的幾何結(jié)構(gòu)(孔尺寸和孔距)將反射率頻譜中的共振下降移動(dòng)至所需波長。全面優(yōu)化還需包括將反射下降的線寬最小化以及深度最大化，因?yàn)檫@些條件對(duì)應(yīng)于最強(qiáng)的共振。

在利用上述平面波的該模擬中，入射波必須耦合表面波，以便在反射率頻譜中產(chǎn)生下降。這可通過孔的周期性來實(shí)現(xiàn)，這些孔充當(dāng)光柵，并提供與表面波耦合所需的動(dòng)力。

具體地，光柵耦合條件給定位：

其中λ、θ和ρ分別表示波長、入射角和光柵周期。當(dāng)傳播常數(shù)β匹配表面波的傳播常數(shù)，入射波將會(huì)耦合表面波，引致反射率頻譜下降。

每當(dāng)條件符合而發(fā)生耦合時(shí)，耦合效率可以改變。因此，即使確實(shí)存在表面波，某些結(jié)構(gòu)也可以不表現(xiàn)出突出的反射率下降。為了避免由于不良的耦合效率而錯(cuò)過表面波，在模擬中使用偶極源。偶極源基本上是諧波振動(dòng)點(diǎn)偶極子。振動(dòng)點(diǎn)偶極子產(chǎn)生各向同性發(fā)射的電磁波。通過將許多點(diǎn)偶極子源置于超材料表面上，確保與表面波的耦合。在這種情況下，通過監(jiān)測表面附近的電場和磁場模式，將會(huì)檢測到表面波的存在。表面附近的場強(qiáng)度的大幅提升即表示存在表面波。

在所關(guān)注的調(diào)諧頻率下，共振形成于材料408的表面上。在一實(shí)施例中，這個(gè)頻率為1THz。材料408可以是各種材料，例如包括銅、或任意其他高導(dǎo)電性材料。如果如上所述地通過模擬重新計(jì)算設(shè)計(jì)的尺寸，可使用其他材料。在一實(shí)施例中，超材料408是厚度為100μm的銅。實(shí)施例的尺寸為，孔長402為10μm，孔寬403為10μm，孔距406為50μm而孔深407為40μm。

圖6A和6B示意性地示出了置于孔401上方的、具有場強(qiáng)度映像的整流天線601。整流天線601包括天線元件601a和601b、以及二極管602。將整流天線置于圖6A和6B所示超材料的表面的孔401上方，是為了將集中的電場釋放給天線元件601從而釋放給二極管602，其中發(fā)生的是將輻射能采集為電力。一旦輻射熱能被采集，這些熱能通過導(dǎo)線603和604被傳導(dǎo)至總線結(jié)構(gòu)，并能夠用于為電子裝置供電或傳導(dǎo)至電力儲(chǔ)存設(shè)備。整流天線601的其他細(xì)節(jié)在481申請(qǐng)、138申請(qǐng)和175申請(qǐng)中有所描述。

圖7示出了具有整流天線601的超材料408的橫截面視圖，其包括天線元件601a和601b以及二極管602。在圖7所示實(shí)施例中，孔401填滿高度絕緣材料708。示范性的高度絕緣材料708包括SU8膠、氣凝膠、空氣、以及真空。材料708必須絕緣但是可讓輻射透過。整流天線601設(shè)置在距離超材料408表面某一距離703處。這個(gè)距離非常重要，因?yàn)殡妶龉β孰S著距表面的距離呈指數(shù)下降。在一實(shí)施例中，該距離為3μm或大約3μm，這樣為絕熱與接近場強(qiáng)之間提供了良好的平衡。在另一實(shí)施例中，整流天線601置于近場內(nèi)孔401上方的某一距離處，該距離為小于引起表面共振的特定頻率的波長的0.5倍。在一具有多個(gè)孔401的實(shí)施例中，整流天線601置于各個(gè)孔401上方。在一具有多個(gè)孔401的實(shí)施例中，整流天線置于某些孔401而不是所有孔上。

在整流天線601頂部的材料706和707將整流天線601連接至冷源710并將熱量傳導(dǎo)至冷源710。包圍整流天線601的材料704和705是隔熱的，以防止源701損失熱，并用于通過輻射將熱量引導(dǎo)至整流天線601。

圖8示出了本發(fā)明的實(shí)施例，其用于在深空低溫環(huán)境中從地球獲取能量。在這個(gè)實(shí)施例中，深空充當(dāng)整流天線1101的冷卻源。如圖8所示，整流天線1101置于柱式超材料結(jié)構(gòu)1104的近場內(nèi)。柱式結(jié)構(gòu)1104集中電場，并利用上述模擬，將該電場以根據(jù)表面超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來設(shè)定的頻率來釋放，其中該電場由陸地源(例如地球)所釋放的熱量在表面上產(chǎn)生。為了將這種系統(tǒng)的卡諾系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)最大化，期望將整流天線1101的頻率調(diào)諧至地球大氣的空帶。公知的兩個(gè)上述帶為：3μm至5μm，以及8μm至12μm。調(diào)諧至這個(gè)帶的整流天線將會(huì)自由地向深空冷源發(fā)出輻射，并創(chuàng)建出其卡諾區(qū)接近100％的系統(tǒng)(C＝1-T_c/Th；其中T_c＝3K，而Th＝300K)。

如圖8所示，在一使用外層空間作為冷源的實(shí)施例中，超材料為多根柱1104的形式，而不是孔401，圖8示出了其中一根柱。在一實(shí)施例中，多根柱如上述對(duì)于孔401那樣周期性地布置。柱1104被絕熱且可被輻射穿透的材料1103包覆。這種材料1103的示例為氣凝膠。在另一實(shí)施例中，材料1103可替換為真空，以優(yōu)化絕熱性能。在一實(shí)施例中，整流天線1101置于柱1104上方2μm或大約2μm處。在另一實(shí)施例中，整流天線1101置于近場內(nèi)，位于柱1104上方某一距離處，該距離為小于引起表面共振的特定頻率下的波長的0.5倍。在一實(shí)施例中，整流天線1101置于某些柱1104上方，而不是所有柱上方。在一實(shí)施例中，柱1104的高度至少為整流天線1101所調(diào)諧的頻率下的波長的1/4。柱設(shè)計(jì)1104允許整流天線1101的元件向深空1106發(fā)出輻射，因?yàn)榭臻g1106距金屬表面的距離大于1/4波長。極為貼近柱1104與距離金屬表面1105大于1/4波長的結(jié)合，使得整流天線1101能夠從被調(diào)整的超材料1104接收能量，并仍然向外層空間1106發(fā)出輻射。

整流天線1101的調(diào)諧頻率等于超材料1104的調(diào)諧頻率，這是有利的，這樣表面等離激元將會(huì)非常高效地將能量釋放至整流天線1101。而且，整流天線1101必須被調(diào)諧至大氣空帶的范圍內(nèi)。

圖8所示的系統(tǒng)將能量采集成電力，因?yàn)檎魈炀€1101被模擬為由陸地源激發(fā)振動(dòng)。在實(shí)施例中，效率來源起源于能源的反射，而能源來自于附近的陸地源，其中陸地源位于空的大氣窗口以外的帶范圍內(nèi)。該系統(tǒng)必須為整流天線1101反射掉這種“帶外”能量來通過外層空間1106來保持冷卻。

這是環(huán)境外罩1102的一部分目的。環(huán)境外罩1102是絕熱的，且對(duì)于大氣的“帶內(nèi)”波長，即空帶具有輻射可透性。方向性也是本設(shè)計(jì)中的重要因素。因?yàn)樵撓到y(tǒng)與天空接觸，整流天線1101必須指向天空并且不會(huì)被介入物掩蓋。

圖9示出了多個(gè)這種元件。表面1105上的超材料柱1104創(chuàng)建等離激元結(jié)構(gòu)，該等離激元結(jié)構(gòu)在柱結(jié)構(gòu)頂端集中等離激元電場。整流天線1101置于這個(gè)結(jié)構(gòu)的近場內(nèi)，并被調(diào)諧至在等離激元頻率進(jìn)行近場共振。整流天線1101的調(diào)諧必須匹配大氣透窗的一部分。

如果在如圖8和9所示的實(shí)施例中，用天線代替了整流天線1101，該系統(tǒng)將熱能轉(zhuǎn)換為天線調(diào)諧頻率下的輻射。在用作THz輻射的廉價(jià)來源時(shí)，這種系統(tǒng)具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。特別是，覆蓋有THz調(diào)諧天線(匹配被調(diào)整的超材料1104)的表面以非常低的成本產(chǎn)生THz輻射。整個(gè)THz范圍能夠通過在表面1105上覆蓋某表面的亞區(qū)來產(chǎn)生，該表面亞區(qū)被調(diào)諧至THz頻譜的亞區(qū)(包括天線和超材料的頻譜)。

圖10示出了根據(jù)一實(shí)施例，用于產(chǎn)生THz輻射的系統(tǒng)。THz源層1202匹配THz傳感器1204，THz源層1202和THz傳感器1204可以如481申請(qǐng)、138申請(qǐng)和175申請(qǐng)所述。

如圖10所示，熱源1201發(fā)熱。THz源層1202包括THz超材料和調(diào)諧至THz頻率的天線。在THz源層1202中的超材料在調(diào)諧的THz的頻率下產(chǎn)生能量，以作為對(duì)熱源1201發(fā)熱的響應(yīng)。在THz源層1202中的天線裝置也被調(diào)諧至THz頻率，并向THz傳感器1204發(fā)出THz輻射。THz傳感器1204響應(yīng)所發(fā)出的THz輻射，生成電力輸出，這些電力通過電力總線1205來承載并向電氣裝置供電，電氣裝置例如為計(jì)算機(jī)1206，其除了一般元件之外，可包括例如數(shù)字處理能力、存儲(chǔ)功能、以及顯示功能。在一實(shí)施例中，THz源1202如上文關(guān)于天線的變體所述，天線的變體如上文關(guān)于圖8和圖9所述。這種系統(tǒng)在相隔距離以低成本提供了主動(dòng)發(fā)射的THz檢測。THz源1202和THz傳感器1204均為在THz范圍內(nèi)可調(diào)，使得這種系統(tǒng)高度靈活，并可延展至各種應(yīng)用上。