專利名稱：一種用于太赫茲波調(diào)制的超材料結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于超材料技術領域，特別涉及用于太赫茲波調(diào)制的超材料結構。
背景技術：
太赫茲波通常定義為頻率在O.廣10THz范圍內(nèi)的的相干電磁輻射。太赫茲對 應的英文是teraherta，縮寫THz，lTHz = 1012Hz (赫茲)，振蕩周期為lps(皮秒)，波長 30 m(微米)，光子的能量是4. lmeV(毫電子伏)。目前研究較多的太赫茲波的通常在 0. 3 3THz范圍內(nèi)，其波段位于微波和紅外線之間，屬于遠紅外線和亞毫米波范疇，有時也稱 為T射線，其顯著的特點為1.瞬態(tài)性太赫茲波的典型脈寬在皮秒量級，不但可以方便地 對各種材料(包括液體、半導體、超導體、生物樣品等)進行時間分辨的研究，而且通過取樣 測量技術，能夠有效的抑制背景輻射噪聲的干擾，信噪比高，穩(wěn)定性好。2.寬帶性太赫茲 波源通常只包含若干個周期的電磁振蕩脈沖，單個脈沖的頻寬可以覆蓋從GHz至幾十太赫 茲的范圍，便于在大的范圍里分析物質(zhì)的光譜性質(zhì)。3.相干性源于其產(chǎn)生機制，是由相干 電流驅(qū)動的偶機子振蕩產(chǎn)生，或是由相干的激光脈沖通過非線性光學效應(差頻)產(chǎn)生，太 赫茲相干測量技術能夠直接測量出電場的振幅和相位，可以方便的提取樣品的折射率、吸
收系數(shù)。4.低能性太赫茲波的光子的能量只有幾個毫電子伏，與X射線相比，不會因為高
能電子流而破壞被檢測的物質(zhì)，可以用作無損檢測。5.太赫茲輻射對于很多非極性物質(zhì)，如 電解質(zhì)材料與塑料、紙箱、布料等包裝材料有很強的穿透力，可以用來質(zhì)檢或安檢。6.大多 數(shù)極性分子如水分子、氨分子等對太赫茲輻射有極強的吸收，可以通過分析它們的特征譜 來研究物質(zhì)成分或者進行產(chǎn)品質(zhì)量控制；同時許多極性分子的振動能級和轉(zhuǎn)動能級正好處 于太赫茲波段，使太赫茲光譜技術在分析和研究大分子方面有廣闊的應用前景。
太赫茲波技術的研究主要包括輻射源、傳輸和探測器三個方面，太赫茲波技術的 實際應用在很大程度上需要在上述方面的都取得突破。太赫茲波的傳輸過程中，為了達到 使用目的，需要調(diào)制器對太赫茲波進行調(diào)制，控制太赫茲波的振幅和相位。調(diào)制器的主要部 件是人工合成的超材料，利用超材料的材料結構特性可以實現(xiàn)其調(diào)制目的?，F(xiàn)有的調(diào)制器 主要包括以下兩種類型1.低溫半導體量子阱調(diào)制器低溫半導體量子阱調(diào)制器是利用電 子的帶間躍遷而實現(xiàn)對太赫茲波相位的調(diào)制。該調(diào)制器的超材料采用寬量子阱材料(如 AIGaAs/GaAs)，該材料是通過在其表面制作金屬光柵，利用金屬和半導體異質(zhì)結之間為肖 特基接觸，形成肖特基光柵，在太赫茲波照射下形成一個調(diào)制載流子參雜濃度的量子阱結 構，這種材料結構具有拋物型的導帶，利用電壓控制載流子的濃度實現(xiàn)相位的調(diào)制，但該裝 置只能在150K的低溫下進行，給實驗的操作帶來很多的困難。2.固態(tài)超材料相位調(diào)制器 固態(tài)超材料相位調(diào)制器是在室溫下使用的固態(tài)相位和振幅調(diào)制器，實驗結果顯示出寬帶調(diào) 制的性能。該調(diào)制器的超材料是在n型參雜的GaAs襯底上制作金屬扣環(huán)諧振腔，將金屬扣 環(huán)諧振器用導線連接起來，構成一個周期性扣環(huán)諧振陣列，金屬扣環(huán)與半導體直接形成肖 特基結構，利用外電壓控制耗盡層中的載流子濃度，控制載流子的諧振，以達到調(diào)制振幅和 相位的效果，振幅和相位調(diào)制隨外加電壓變化，克服了以往機械調(diào)制器和開關的缺點。但扣
3環(huán)本身的諧振吸收非常明顯，仍然不能滿足太赫茲寬帶的調(diào)制。上述方法由于調(diào)制器所采 用的超材料的材料結構特性的限制，導致調(diào)制范圍小，使用環(huán)境要求高，不利于太赫茲波技 術的推廣應用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了拓寬調(diào)制器對太赫茲波的調(diào)制范圍，提供了一種用于太赫茲 波調(diào)制的超材料結構。 本發(fā)明所采用的技術方案是一種用于太赫茲波調(diào)制的超材料結構，包括中心 介質(zhì)層，由對太赫茲波透明的聚乙烯材料構成，中心介質(zhì)層的厚度小于入射的太赫茲波的 十分之一波長；上表面光柵層，采用金屬材料，由位于中心介質(zhì)層上表面的一系列呈周期性 分布的平行柵格構成，每個柵格與兩邊的柵格空隙構成一個周期，每條柵格的厚度均小于 寬度；下表面光柵層，采用金屬材料，由位于中心介質(zhì)層下表面的一系列呈周期性分布的平 行柵格構成，每個柵格與兩邊的柵格空隙構成一個周期，每條柵格的厚度均小于寬度；所述 上、下表面光柵層的柵格呈鏡像對稱分布。 上述上、下表面光柵層的金屬材料為銅，每條柵格的厚度均小于或等于寬度的四 分之一。 本發(fā)明的有益效果是當太赫茲波入射到上述超材料表面后，部分光會被超材料 反射，部分光會透射過超材料，并且會在在上、下表面光柵層和中心介質(zhì)層的交界面會激發(fā) 產(chǎn)生表面等離子體波，由于表面等離子體波和入射的太赫茲波均具有方向性，利用入射的 太赫茲波與表面等離子體波的方向耦合特性，通過入射的太赫茲波的電場方向與光柵的晶 格矢量方向的夾角來調(diào)制太赫茲波的振幅和相位變化。當入射的太赫茲波的電場方向與光 柵的晶格矢量方向的夾角為零度時，表面等離子體波最大化增強太赫茲波的透射能力，透 射過的太赫茲波強度衰減最??；當夾角為九十度時，表面等離子體波最小化增強太赫茲波 的透射能力，透射過的太赫茲波強度衰減最大。由于表面等離子體波始終在增強太赫茲波 的透射，因而拓寬了調(diào)制器對太赫茲波的調(diào)制范圍。同時，由于本發(fā)明的超材料可以在常溫 下保持材料特性，對使用環(huán)境要求低。另外，上述超材料結構簡單，可以在平面范圍內(nèi)做任 意大小的擴展。由于這些優(yōu)點，本發(fā)明所述的超材料結構有利于太赫茲波技術的推廣應用。


圖1是本發(fā)明的立體結構示意圖。
圖2是本發(fā)明的俯視方向的結構示意圖。 圖3是利用本發(fā)明調(diào)制入射的太赫茲波的工作原理示意圖。 圖4是入射的太赫茲波的電場方向與晶格矢量方向的夾角為零度時的工作原理 示意圖。 圖5是入射的太赫茲波的電場方向與晶格矢量方向的夾角為九十度時的工作原 理示意圖。 圖6是本發(fā)明透射后的太赫茲波頻率和振幅之間的變化趨勢效果圖。 圖7是本發(fā)明透射后的太赫茲波的相位隨入射的太赫茲波的電場方向與晶格矢
量方向的夾角的變化趨勢效果圖。
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附圖標記說明中心介質(zhì)層1、上表面光柵層2、下表面光柵層3、入射的太赫茲波 4、透射中的太赫茲波5、反射后的太赫茲波6、透射過的太赫茲波7、表面等離子體波8。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體的實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明。 如圖1和圖2所示，一種用于太赫茲波調(diào)制的超材料結構，包括中心介質(zhì)層1，由 對太赫茲波透明的聚乙烯材料構成，其厚度2t小于入射的太赫茲波的十分之一波長，由于 聚乙烯材料為絕緣體，所以其介電常數(shù)在太赫茲波段為正值。上表面光柵層2，采用金屬材 料，由位于中心介質(zhì)層1上表面的一系列呈周期性分布的平行柵格構成，每個柵格與兩邊 的柵格空隙構成一個周期，周期長度為d，每條柵格的厚度h均小于寬度a。下表面光柵層 3，采用金屬材料，由位于中心介質(zhì)層1下表面的一系列呈周期性分布的平行柵格構成，每 個柵格與兩邊的柵格空隙構成一個周期，周期長度為d，每條柵格的厚度h均小于寬度a，； 上、下表面光柵層2、3的柵格呈鏡像對稱分布，由于金屬材料為良導體，所以其介電常數(shù)在 太赫茲波段為負值。上述超材料的柵格呈周期性排列的方向被稱為晶格矢量方向R，該方向 與柵格的長度方向垂直。 上述上、下表面光柵層的金屬材料采用銅，每條柵格的厚度h均小于或等于寬度a 的四分之一。上述上、下表面光柵層2、3的金屬材料還可采用金或其它金屬，每條柵格的最 佳厚度根據(jù)金屬的電導率而發(fā)生變化。 下面在結合附圖3說明本發(fā)明的工作原理，首先為超材料設置一個XYZ坐標軸作 為工作平臺，X軸與柵格的長度方向平行，Z軸垂直于超材料的表面。當入射的太赫茲波4 入射到上述超材料表面后，部分光會被超材料反射成為反射后的太赫茲波6，部分光會透射 過超材料，由于上述超材料的中心介質(zhì)層1和上、下表面光柵層2、3的介電常數(shù)相反，會在 其交界面上激發(fā)表面等離子體波8，表面等離子體波8與透射中的太赫茲波5發(fā)生耦合，形 成了光強度增強了的透射過的太赫茲波7。由于表面等離子體波8始終在增強入射的太赫 茲波4的透射能力，減緩了透射過的太赫茲波7的強度衰減，因而拓寬了調(diào)制器對太赫茲波 的調(diào)制范圍。 如圖4所示，當入射的太赫茲波4的磁場方向H與X軸方向相同，電場方向E與Y 軸方向相同時，入射的太赫茲波4的電場方向E與晶格矢量方向R的夾角為零度。此時， 表面等離子體波8最大化增強入射的太赫茲波的透射能力，透射過的太赫茲波強度衰減最 小。 如圖5所示，當入射的太赫茲波4的磁場方向H與X軸方向垂直，電場方向E與Y 軸方向垂直，此時入射的太赫茲波的電場方向E與晶格矢量方向R的夾角為九十度。此時， 表面等離子體波8最小化增強入射的太赫茲波的透射能力，透射過的太赫茲波強度衰減最 大。 通過改變?nèi)肷涞奶掌澆?的電場方向E與晶格矢量方向R的夾角的大小，就可 以實現(xiàn)對透射過的太赫茲波7的光強度的調(diào)制，從而實現(xiàn)對太赫茲波的振幅和相位的調(diào) 制。如圖6所示，圖中，水平軸Frenquency(THz)代表透射后的太赫茲波的頻率，垂直軸 Normalized amplitude代表透射后的太赫茲波的振幅，象限空間內(nèi)的每一條曲線代表某一 角度下透射后的太赫茲波頻率和振幅之間的變化趨勢。由圖中可知，透射后的太赫茲波的
5振幅隨電場方向E與晶格矢量方向R的夾角的變化，隨著夾角的減小，透射后的太赫茲波的 透射強度逐漸增大，并且表現(xiàn)為高通寬帶的傳輸特性，能有效的實現(xiàn)太赫茲振幅的寬帶連 續(xù)調(diào)制。 如圖7所示，圖中，水平軸theta(degree)代表入射的太赫茲波4的電場方向E 與晶格矢量方向R的夾角大小，垂直軸phase (rad)代表透射后的太赫茲波的相位，象限空 間內(nèi)的每一條曲線代表某一太赫茲波頻率下透射后的太赫茲波相位和太赫茲波4的電場 方向E與晶格矢量方向R的夾角之間的變化趨勢。由圖中可知，相位和交角之間呈洛倫茲 (Lorentz)函數(shù)分布?？梢栽诼鍌惼?Lorentz)函數(shù)峰值最大時進行最大的相位調(diào)制，如對 于1. 0THz的太赫茲波其洛倫茲(Lorentz)函數(shù)峰值最大的角度為70度，因而在此處進行 調(diào)制可以獲得最大的相位變化。 本領域的普通技術人員將會意識到，這里所述的實施例是為了幫助讀者理解本發(fā) 明的原理，應被理解為發(fā)明的保護范圍并不局限于這樣的特別陳述和實施例。凡是根據(jù)上 述描述做出各種可能的等同替換或改變，均被認為屬于本發(fā)明的權利要求的保護范圍。
權利要求
一種用于太赫茲波調(diào)制的超材料結構，其特征在于，包括中心介質(zhì)層，由對太赫茲波透明的聚乙烯材料構成，中心介質(zhì)層的厚度小于入射的太赫茲波的十分之一波長；上表面光柵層，采用金屬材料，由位于中心介質(zhì)層上表面的一系列呈周期性分布的平行柵格構成，每個柵格與兩邊的柵格空隙構成一個周期，每條柵格的厚度均小于寬度。下表面光柵層，采用金屬材料，由位于中心介質(zhì)層下表面的一系列呈周期性分布的平行柵格構成，每個柵格與兩邊的柵格空隙構成一個周期，每條柵格的厚度均小于寬度；所述上、下表面光柵層的柵格呈鏡像對稱分布。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種用于太赫茲波調(diào)制的超材料結構，其特征在于，所述上、 下表面光柵層的金屬材料為銅，每條柵格的厚度均小于或等于寬度的四分之一。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于太赫茲波調(diào)制的超材料結構。包括中心介質(zhì)層，由對太赫茲波透明的聚乙烯材料構成，中心介質(zhì)層的厚度小于入射的太赫茲波的十分之一波長；上表面光柵層，采用金屬材料，由位于中心介質(zhì)層上表面的一系列呈周期性分布的平行柵格構成，每個柵格與兩邊的柵格空隙構成一個周期，每條柵格的厚度均小于寬度；下表面光柵層，采用金屬材料，由位于中心介質(zhì)層下表面的一系列呈周期性分布的平行柵格構成，每個柵格與兩邊的柵格空隙構成一個周期，每條柵格的厚度均小于寬度；所述上、下表面光柵層的柵格呈鏡像對稱分布。本發(fā)明的有益效果是由于表面等離子體波始終在增強太赫茲波的透射，因而拓寬了調(diào)制器對太赫茲波的調(diào)制范圍。
文檔編號G02F1/35GK101694558SQ20091016795
公開日2010年4月14日 申請日期2009年10月21日 優(yōu)先權日2009年10月21日
發(fā)明者張懷武, 文岐業(yè), 李勝, 田東斌 申請人:電子科技大學;