一種偏振不敏感光驅(qū)動可調(diào)諧太赫茲波超材料吸收器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于超材料及電磁功能材料的太赫茲應用技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種太赫茲吸收 器，具體涉及一種偏振不敏感光驅(qū)動可調(diào)諧太赫茲波超材料吸收器。
【背景技術(shù)】
[0002] 太赫茲技術(shù)是一個非常重要的交叉前沿領(lǐng)域，給技術(shù)創(chuàng)新、國民經(jīng)濟發(fā)展和國家 安全提供了一個非常誘人的機遇。太赫茲的研究涉及物理學、光電子學及材料科學等，它在 成像、醫(yī)學診斷、環(huán)境科學、信息、國家安全及基礎(chǔ)物理研究領(lǐng)域有著廣闊的應用前景和應 用價值，受到世界各國的關(guān)注。太赫茲波吸收器，它在高分辨率頻譜成像、高數(shù)據(jù)速率短距 離通信、材料分析、化學和生物傳感以及太赫茲隱身等領(lǐng)域具有巨大的應用潛力。
[0003] 超材料(Metamater ials，MMs)是一種新型亞波長周期性人工結(jié)構(gòu)材料。超材料所 展現(xiàn)出的新奇的電磁特性主要源自它的亞波長結(jié)構(gòu)設(shè)計，而不是材料的本征屬性，人們可 以通過改變其微結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸和排列方式等來調(diào)控它對電磁波的響應強度和頻譜范 圍。本質(zhì)上，超材料更是一種新穎的材料設(shè)計思想，通過在材料的關(guān)鍵物理尺度上的結(jié)構(gòu)有 序設(shè)計來突破某些自然規(guī)律的限制，從而獲得超常的材料功能。因此超材料具有可設(shè)計性 和可調(diào)控性的特點。通過調(diào)控超材料的基本單元結(jié)構(gòu)和尺寸，可以得到所需的人為的等效 介電常數(shù)，磁導率等電磁參數(shù)，從而可實現(xiàn)諸如完美透鏡、負折射率等超常電磁特性。
[0004] 利用超材料實現(xiàn)對電磁波的完美吸收，近年來受到人們的廣泛關(guān)注。2008年Landy 等等人首次提出吸收接近于100%的超材料結(jié)構(gòu)，大大推動了超材料吸波器的興起。設(shè)計的 結(jié)構(gòu)正面金屬圖形形成電諧振器，正面金屬圖形與背面金屬條以及中間的介質(zhì)形成磁諧振 器。調(diào)節(jié)電磁諧振單元的尺寸，根據(jù)公式n = #和z = 使之與自由空間的阻抗相匹配，可 以使得諧振頻率附近反射率和透射率達到最小，從而吸收率最大。然而，由于諧振特性，這 種超材料吸收器通常工作在單一頻段，且只有很窄的吸收頻帶，這限制了它在實際中的應 用，從而使寬帶超材料吸收器成為研究的一個熱點。對于一個既定尺寸的電磁超材料結(jié)構(gòu) 而言，要改變它的工作頻率和吸收強度是不容易的，也是非常不方便的。
[0005] 當前，人們利用超材料技術(shù)制備了各種太赫茲波吸收器，可實現(xiàn)單頻帶，多頻帶以 及寬頻吸收。國內(nèi)外研究的太赫茲波吸收器一般為"電諧振器-介質(zhì)層-金屬層"結(jié)構(gòu)，其工 作原理是對吸收電磁波的電和磁響應的微結(jié)構(gòu)單元進行獨立設(shè)計，產(chǎn)生局域的電磁共振， 使其達到理想的阻抗匹配，從而實現(xiàn)對入射太赫茲波的完美吸收。設(shè)計的太赫茲波吸收器 結(jié)構(gòu)雖然可以實現(xiàn)頻帶的展寬，但是實現(xiàn)高吸收的頻率是固定不變的。然而，在太赫茲波吸 收器件的實際應用中，實現(xiàn)對其吸收性能和頻率的主動控制和便于調(diào)節(jié)顯得非常重要。因 此，迫切需要提出結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，便于加工和制作的高性能光驅(qū)動可調(diào)諧太赫茲波吸收 器來支撐太赫茲技術(shù)應用領(lǐng)域的發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提供了一種偏振不敏感光驅(qū)動可調(diào)諧太赫茲波超材料吸收器，其目的在于 使設(shè)計的吸收器吸收強度和吸收頻率在光輻射驅(qū)動下大范圍可調(diào)，主要通過利用加載半導 體硅電導率的不同，調(diào)節(jié)開縫環(huán)結(jié)構(gòu)電磁諧振和阻抗匹配特性，以實現(xiàn)在比較寬的太赫茲 頻率范圍內(nèi)吸收特性的調(diào)節(jié)效果。當太赫茲波入射到吸收器上時，諧振結(jié)構(gòu)周圍產(chǎn)生磁場 環(huán)路，該磁場環(huán)路使金屬片和半導體娃產(chǎn)生歐姆損耗，電介質(zhì)基板上產(chǎn)生介電損耗，電磁波 的電磁能通過介電損耗和歐姆損耗轉(zhuǎn)化為熱能，從而實現(xiàn)對太赫茲波損耗吸收的調(diào)節(jié)。
[0007] 本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下：
[0008] -種偏振不敏感光驅(qū)動可調(diào)諧太赫茲波超材料吸收器，包括單元結(jié)構(gòu)、光敏感半 導體和金屬底板，所述單元結(jié)構(gòu)包括介質(zhì)基板、金屬圖案層和金屬背板，所述介質(zhì)基板位于 所述金屬圖案層與所述金屬背板之間，所述金屬圖案層鑲嵌有所述光敏感半導體，所述單 元結(jié)構(gòu)位于所述金屬底板上。
[0009] 上述的吸收器，其中，所述吸收器包括多個所述單元結(jié)構(gòu)，所述多個單元結(jié)構(gòu)周期 性分布在所述金屬底板上。
[0010] 上述的吸收器，其中，所述金屬圖案層刻蝕在所述介質(zhì)基板上。
[0011] 上述的吸收器，其中，所述金屬背板為導電的銅板、鋁板、金板、銀板中的一種。
[0012] 上述的吸收器，其中，所述介質(zhì)基板為電介質(zhì)基板，介電常數(shù)實部為1~15,虛部為 0.001 ~0.1〇
[0013] 上述的吸收器，其中，所述光敏感半導體為半導體硅Si并通過半導體工藝將光敏 感半導體加載到金屬圖案層的開口縫隙處。
[0014] 上述的吸收器，其中，所述光敏感半導體為Si、CdS，ZnS，CdSe，PbS，InSb，GeZn， GeCu，GeAg中的至少一種。
[0015]上述的吸收器，其中，所述金屬圖案層為圓形、方形、十字型、多邊形或者相互的變 體結(jié)構(gòu)中的至少一種。
[0016] 上述的吸收器，其中，所述金屬圖案層通過激光刻蝕工藝覆蓋于所述介質(zhì)基板上。
[0017] 本發(fā)明提供了一種偏振不敏感光驅(qū)動可調(diào)諧太赫茲波超材料吸收器，包括單元結(jié) 構(gòu)、光敏感半導體和金屬底板，所述單元結(jié)構(gòu)包括介質(zhì)基板、金屬圖案層和金屬背板，所述 介質(zhì)基板位于所述金屬圖案層與所述金屬背板之間，所述金屬圖案層鑲嵌有所述光敏感半 導體，所述單元結(jié)構(gòu)位于所述金屬底板上。本發(fā)明利用不同功率光的輻照下半導體硅的載 流子濃度產(chǎn)生的差異從而導致的加載半導體硅電導率的不同，調(diào)節(jié)開縫環(huán)結(jié)構(gòu)電磁諧振和 阻抗匹配特性，以實現(xiàn)在比較寬的太赫茲頻率范圍內(nèi)吸收特性的調(diào)節(jié)效果。當太赫茲波入 射到吸收器上時，諧振結(jié)構(gòu)周圍產(chǎn)生磁場環(huán)路，該磁場環(huán)路使金屬片和半導體硅產(chǎn)生歐姆 損耗，電介質(zhì)基板上產(chǎn)生介電損耗，電磁波的電磁能通過介電損耗和歐姆損耗轉(zhuǎn)化為熱能， 從而實現(xiàn)對太赫茲波損耗吸收的調(diào)節(jié)，具體為通過仿真和實驗研究了半導體硅Si在不同的 紅外激光輻照功率情況下其電導率的變化特性，研究結(jié)果表明，隨著光輻照功率的增強，其 電導率也隨之而增強，進一步研究了超材料諧振器結(jié)構(gòu)加載半導體硅時，其太赫茲波傳輸 特性隨著光輻照功率的不同而產(chǎn)生顯著的變化。為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的，我們也將該半導 體硅引入到設(shè)計的太赫茲波超材料吸收器結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)太赫茲波吸收特性的調(diào)節(jié)。利用加載 半導體硅電導率的不同，調(diào)節(jié)開縫環(huán)結(jié)構(gòu)電磁諧振和阻抗匹配特性，以實現(xiàn)在比較寬的太 赫茲頻率范圍內(nèi)吸收特性的調(diào)節(jié)效果。當太赫茲波入射到吸收器上時，諧振結(jié)構(gòu)周圍產(chǎn)生 磁場環(huán)路，該磁場環(huán)路使金屬片和半導體娃產(chǎn)生歐姆損耗，電介質(zhì)基板上產(chǎn)生介電損耗，電 磁波的電磁能通過介電損耗和歐姆損耗轉(zhuǎn)化為熱能，從而實現(xiàn)對太赫茲波損耗吸收的調(diào)
【附圖說明】
[0018] 通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明及其特征、外 形和優(yōu)點將會變得更明顯。在全部附圖中相同的標記指示相同的部分。并未刻意按照比例 繪制附圖，重點在于示出本發(fā)明的主旨。
[0019] 圖1為本發(fā)明中單元結(jié)構(gòu)在實施例1中的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020] 圖2為本發(fā)明中單元結(jié)構(gòu)為圖1所示的情況下的吸收率。
[0021] 圖3為本發(fā)明中單元結(jié)構(gòu)在實施例2中的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖4為本發(fā)明中單元結(jié)構(gòu)為圖3所示的情況下的吸收率。
[0023] 圖5為本發(fā)明中單元結(jié)構(gòu)在實施例3中的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024] 圖6為本發(fā)明中單元結(jié)構(gòu)為圖5所示的情況下的吸收率。
【具體實施方式】
[0025] 在下文的描述中，給出了大量具體的細節(jié)以便提供對本發(fā)明更為徹底的理解。然 而，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言顯而易見的是，本發(fā)明可以無需一個或多個這些細節(jié)而得以 實施。在其他的例子中，為了避免與本發(fā)明發(fā)生混淆，對于本領(lǐng)域公知的一些技術(shù)特征未進 行描述。
[0026] 為了徹底理解本發(fā)明，將在下列的描述中提出詳細的步驟以及具體的結(jié)構(gòu)，以便 闡釋本發(fā)明的技術(shù)方案。本發(fā)明的最佳實施案例詳細描述如下，然而除了這些詳細描述外， 本發(fā)明還可以具有其它實施方式。
[0027] 如圖1-圖6所示，本發(fā)明提供一種偏振不敏感光驅(qū)動可調(diào)諧太赫茲波超材料吸收 器，包括單元結(jié)構(gòu)1、光敏感半導體2和金屬底板，單元結(jié)構(gòu)1包括介質(zhì)基板3、金屬圖案層4和 金屬背板(在圖中未標出），介質(zhì)基板3位于金屬圖案層4與金屬背板之間，金屬圖案層4鑲嵌 有光敏感半導體2,單元結(jié)構(gòu)1位于金屬底板上，在本發(fā)明中金屬圖案層4也就是一種金屬開 縫環(huán)結(jié)構(gòu)，本發(fā)明通過刻蝕在介質(zhì)基板3上加載光敏感半導體2的金屬開縫環(huán)結(jié)構(gòu)(包括類 似的圓形、方形、十字形及多邊形具有嚴格幾何對稱性的開縫結(jié)構(gòu))和金屬底板;若干個這 樣的單元結(jié)構(gòu)無縫連接在一起最終形成周期性的三維陣列結(jié)構(gòu)。加載到金屬開縫環(huán)結(jié)構(gòu)上 的光敏感半導體在不同的功率光輻照下，其載流子濃度會產(chǎn)生變化，從而導致其電導