一种可切换的宽带多功能超材料吸收器/极化转换器转让专利
申请号 : CN202011630631.3
文献号 : CN112838373B
文献日 : 2022-03-18
发明人 : 杨荣草 , 李照华 , 王佳云 , 张文梅
申请人 : 山西大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种可切换的宽带多功能超材料吸收器/极化转换器,其特征在于,包括从上至下依次设置的谐振图案层(1)、第一介质层(2)、石墨烯图案层(3)、第二介质层(4)、连续石墨烯层(5)、第三介质层(6),底部金属板(7);所述谐振图案层(1)由若干金属块(9)和光敏硅块(8)相间排列组成的条形谐振器周期排列而成;所述石墨烯图案层(3)由单层碳原子石墨烯板和在单层碳原子石墨烯板上刻蚀的若干个周期排列的结构单元组成,每个结构单元都是由十字形凹槽(10)连接的四个开口半圆环形凹槽(11)组成;所述条形谐振器的方向相同,且沿着晶胞单元的对角线方向。
2.根据权利要求1所述的一种可切换的宽带多功能超材料吸收器/极化转换器,其特征在于,所述光敏硅块(8)为正方形光敏硅块,所述金属块(9)为长方形金属块。
3.根据权利要求1所述的一种可切换的宽带多功能超材料吸收器/极化转换器,其特征在于,所述光敏硅块(8)和金属块(9)光的厚度相同。
4.根据权利要求1所述的一种可切换的宽带多功能超材料吸收器/极化转换器,其特征在于,所述十字形凹槽(10)连接在开口半圆环形凹槽(11)半圆弧部分的中间位置。
5.根据权利要求1所述的一种可切换的宽带多功能超材料吸收器/极化转换器,其特征在于,相邻的所述结构单元的开口半圆环形凹槽(11)之间留有缝隙。
6.根据权利要求1所述的一种可切换的宽带多功能超材料吸收器/极化转换器,其特征在于,所述结构单元中的开口半圆环形凹槽(11)互不接触。
7.根据权利要求1所述的一种可切换的宽带多功能超材料吸收器/极化转换器,其特征在于,所述开口半圆环形凹槽(11)的开口位于半圆环直径中间位置,且开口宽度都是相同。
8.根据权利要求1所述的一种可切换的宽带多功能超材料吸收器/极化转换器,其特征在于,所述四个开口半圆环形凹槽(11)的尺寸相同。
9.根据权利要求1所述的一种可切换的宽带多功能超材料吸收器/极化转换器,其特征在于,所述十字形凹槽(10)和开口半圆环形凹槽(11)的线宽相同。
说明书 :
一种可切换的宽带多功能超材料吸收器/极化转换器
技术领域
背景技术
报道有超透镜成像、石墨烯生物传感、电磁探测和隐身技术等。
工作频段拓展到双频段、多频段以及宽频段。另一方面,一些能够改变入射线极化或圆极化
的电磁波的的超材料被报道,例如:2013年Chen等人首次提出了基于短金属线阵列的反射
式超材料极化转换器,实现了入射线极化波到反射线极化波极化方向的转换;冯一军等人
提出了一种基于石墨烯的多功能可调谐超材料,可以实现共面极化到交叉极化以及线极化
到圆极化的转换。
始研究能够集成吸收器和极化转换器的多功能超材料,通过在超材料结构中嵌入一些可调
媒质,例如二氧化钒、砷化镓、光敏材料、石墨烯和PIN二极管等,这些多功能超材料能够实
现在多个功能之间的任意切换。然而目前的多功能吸收器/极化转换器仅能够实现在吸收
功能和线极化转换功能之间切换,或者在线极化转换和圆极化转换功能之间切换,且其工
作带宽较窄或工作效率不高。本发明设计了一种基于石墨烯和光敏硅的多功能超材料吸收
器/极化转换器,该结构可实现宽频带吸收、宽带线极化转换和宽带圆极化转换三种功能之
间的切换。相比之前的结构,本发明提出的多功能超材料具有所有工作模式均为宽带,工作
效率高,且能够自由控制其工作模式的优点。
发明内容
属板;所述谐振图案层由若干金属块和光敏硅块相间排列组成的条形谐振器周期排列而
成;所述石墨烯图案层由单层碳原子石墨烯板和在单层碳原子石墨烯板上刻蚀的若干个周
期排列的结构单元组成,每个结构单元都是由十字形凹槽连接的四个开口半圆环形凹槽组
成。
处于绝缘状态,该多功能超材料工作在宽带吸收工作模式,可以对入射电磁波实现完美宽
带吸收的效果;而当设置石墨烯层外加直流偏置电压为0,且将本结构置于泵浦光照激励条
件下,石墨烯费米能级为μc=0eV,光敏硅处于金属状态,该多功能超材料处于极化转换工
作模式,实现将入射线极化波或者圆极化波转换到其对应的交叉极化波的效果。
附图说明
环形凹槽。
具体实施方式
明,并不用于限定本发明。
石墨烯层5、第三介质层6,底部金属板7;
和金属块9光的厚度相同,所述条形谐振器的方向相同,且沿着晶胞单元的对角线方向;
形凹槽11组成,所述十字形凹槽10连接在开口半圆环形凹槽11半圆弧部分的中间位置,所
述相邻结构单元的开口半圆环形凹槽11之间留有缝隙,所述结构单元中的开口半圆环形凹
槽11互不接触,所述开口半圆环形凹槽11的开口位于半圆环直径中间位置,且开口宽度都
是相同,所述四个开口半圆环形凹槽11的尺寸相同,所述十字形凹槽10和开口半圆环形凹
槽11的线宽相同。
属块材料为金,电导率为5.8×10 S/m,厚度为0.2μm;谐振图案层正方形光敏硅块边长为21
μm,厚度为0.2μm,在没有泵浦光照时电导率为σSi=1S/m,表现为绝缘态,而当采用泵浦光照
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射时,光敏硅的电导率增加到σSi=5×10S/m,表现为金属态。石墨烯图案层为在单层石墨
烯板上刻蚀出由十字形凹槽连接的四个开口半圆环形凹槽,半圆环外半径为33μm,中心十
字凹槽长为33.5μm,凹槽线宽度均为8μm,石墨烯图案层的电导率由外加直流偏置电压来调
控。连续石墨烯层为单层碳原子石墨烯层,电性能与石墨烯图案层相同。底部金属板材料为
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金,电导率为5.8×10 S/m,厚度为0.2μm。第一介质层、第二介质层和第三介质层材料均为
环烯烃共聚物,厚度分别为1μm、12μm和17μm,介电常数为2.1,损耗正切角为0.0006。
化方向的THz波沿着Z轴方向入射到材料表面,对于线极化极化转换率(PCRy)和圆极化波极
化转换率(PCRL)可以分别由下式定义:
算:
(ω)=0;R(ω)为反射率,对于入射Y极化波,R(ω)=|rxy|+|ryy| .
作模式,可以对入射电磁波实现完美宽带吸收的效果,在1.748THz~3.523THz频带范围内
吸收率超过90%以,吸收带宽为1.775THz,相对带宽达到67.35%,如图6所示;而当设置石
墨烯层外加直流偏置电压为0,且将本结构置于泵浦光照激励条件下,石墨烯费米能级为μc
=0eV,光敏硅处于金属状态,该多功能超材料处于极化转换工作模式。当线极化波入射时,
能够实现反射式宽带共面极化到交叉极化电磁波的转换效果;当左旋/右旋圆极化波入射
时,能够将其转换为右旋/左旋圆极化反射波,对于线极化和圆极化转换模式,在1.541THz
~2.551THz频带范围内,极化转换率均达到90%以上,转换带宽为1.01THz,相对带宽为
49.36%,如图7和8所示。