本發(fā)明涉及一種對太赫茲金屬超材料的設計進行驗證的驗證裝置，屬于太赫茲金屬超材料技術領域。

背景技術：

太赫茲金屬超材料是一種人工設計制作的由亞波長周期性金屬諧振結構組成的功能材料。由于其具備負折射率等自然材料所不具有的特性，成為解決太赫茲波段缺乏自然材料的主要途徑，因而獲得了研究者的廣泛關注。然而大量的研究工作主要集中于太赫茲金屬超材料的理論計算和仿真設計，僅有極少數(shù)的超材料得到加工和實驗驗證。這主要是受到目前金屬微結構加工設備昂貴、加工工藝復雜、耗時的制約。即使像激光直寫等工藝，雖然在原有光刻工藝基礎上進行了簡化，但是其加工成本依然超出一般研究者的承受能力。因此提出一種方便可靠的太赫茲金屬超材料的驗證裝置對于太赫茲金屬超材料的研究具有巨大的推動作用。

在金屬超材料中應用半導體的光電效應，最早出現(xiàn)于對頻率可調(diào)濾波器的研究中。研究者將金屬超材料中諧振結構的局部同半導體材料相連接。當沒有光照射到半導體結構上時，半導體是絕緣的，諧振結構僅僅體現(xiàn)金屬部分的功能。當有光照射到半導體結構上時，光電效應產(chǎn)生的光生載流子使半導體表現(xiàn)為導體，同金屬結構結合，組成新的諧振結構，產(chǎn)生新的效應或者頻率的偏移。半導體的光電效應在超材料中的應用，已經(jīng)擴展到可調(diào)頻反射鏡、高頻調(diào)制器等領域，但是尚未出現(xiàn)完全使用半導體光電效應構建超材料的報道。

空間光調(diào)制器是指在主動控制下，通過其內(nèi)部二維分布的微執(zhí)行單元，調(diào)制光場的振幅、相位、偏振等參量，從而將一定的信息加載到光波的調(diào)制器。普通投影儀的圖像模塊就是一種調(diào)制振幅的空間光調(diào)制器。目前應用最為廣泛的空間光調(diào)制器為液晶陣列（lcd）和數(shù)字微反射鏡陣列（dmd），前者可以調(diào)整光場的振幅、相位和偏振，后者僅能調(diào)整光的有無，但是具有更高的對比度。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是：提供一種太赫茲金屬超材料的驗證裝置，用以解決太赫茲金屬超材料加工成本高昂而使太赫茲金屬超材料停留在理論計算和仿真設計上的問題，降低太赫茲金屬超材料的實驗驗證成本。

本發(fā)明解決其技術問題所采取的技術手段是：

本發(fā)明太赫茲金屬超材料的驗證裝置包括光源、空間光調(diào)制器、成像透鏡、合束器、半導體平板、計算機和太赫茲光譜儀，所述光源輻射的光子能量大于所述半導體平板的材料的禁帶寬度，空間光調(diào)制器與計算機連接以使太赫茲金屬超材料的周期性諧振結構圖形能夠由計算機輸出到空間光調(diào)制器；光源發(fā)出的光束進入空間光調(diào)制器中后，空間光調(diào)制器能夠將周期性諧振結構圖形加載到光束中；加載了周期性諧振結構圖形的光束先后經(jīng)由成像透鏡、合束器透射到半導體平板上后能夠激發(fā)半導體平板的半導體產(chǎn)生光生載流子，并使光生載流子在半導體平板上構建形成與太赫茲金屬超材料相同的周期性諧振結構；太赫茲光譜儀發(fā)射的太赫茲波束能夠被合束器反射后照射到半導體平板上的周期性諧振結構圖區(qū)域內(nèi)，并穿過半導體平板出射而進入太赫茲光譜儀。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：

（1）本發(fā)明的太赫茲金屬超材料的驗證裝置由于使用光子能量大于半導體平板的材料的禁帶寬度的光源，光源發(fā)出的光束進入空間光調(diào)制器中后，能夠加載由計算機輸入的太赫茲超材料的周期性諧振結構圖形，加載了周期性諧振結構圖形的光束經(jīng)由成像透鏡照射半導體平板時，能夠激發(fā)半導體發(fā)生光電效應而產(chǎn)生能夠導電的光生載流子，并使光生載流子在半導體平板上構建形成與太赫茲金屬超材料相同的周期性諧振結構。這些導電的光生載流子和太赫茲波之間的相互作用與金屬和太赫茲波之間的相互作用機理相同，因而可以取代金屬構建與太赫茲金屬超材料相同的周期性諧振結構進行實驗驗證。

（2）本發(fā)明太赫茲金屬超材料的驗證裝置，可以極大地降低太赫茲金屬超材料的實驗驗證成本。加載了周期性諧振結構圖形的光束經(jīng)由成像透鏡照射半導體平板時，能夠激發(fā)半導體發(fā)生光電效應而產(chǎn)生能夠導電的光生載流子，并使光生載流子在半導體平板上構建形成與太赫茲金屬超材料相同的周期性諧振結構。由于使用光生載流子圖形替代了傳統(tǒng)金屬超材料中起導電作用的金屬圖形，省去了傳統(tǒng)的金屬微加工過程中昂貴的設備成本和復雜的工藝流程，極大地降低了設備成本。同時，由于光生載流子在半導體平板上構建形成與太赫茲金屬超材料相同的周期性諧振結構的時間僅為毫秒級，直接省去了冗長耗時的傳統(tǒng)的金屬微加工過程，從而可以實現(xiàn)在實驗過程中實時更換不同結構參數(shù)的太赫茲金屬超材料進行驗證。

（3）本發(fā)明可以通過調(diào)整成像透鏡的物距（即空間光調(diào)制器和成像透鏡之間的間距）和像距（即成像透鏡和半導體平板之間的間距）來調(diào)整半導體平板上的周期性諧振結構圖像的面積和分辨率，從而同一個驗證裝置可以用于驗證工作于不同太赫茲波段的太赫茲金屬超材料，適用性強。當需要對工作于較高頻率的太赫茲金屬超材料進行驗證時，可通過調(diào)節(jié)物距和像距，以使半導體平板上的成像尺寸變小、分辨率提高；當需要對工作于較低頻率的太赫茲金屬超材料進行驗證時，可通過調(diào)節(jié)物距和像距，以使半導體平板上的成像尺寸變大、分辨率變低。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一種太赫茲金屬超材料的驗證裝置的使用狀態(tài)示意圖。

圖2為方形開口環(huán)諧振器的諧振結構單元的示意圖。

圖3為分別使用金屬和光生載流子兩種材料構建的方形開口環(huán)濾波器的諧振效果模擬圖。

圖4為方形開口環(huán)諧振器的周期性諧振結構圖。

具體實施方式

圖1所示的本發(fā)明太赫茲金屬超材料的驗證裝置包括光源1、空間光調(diào)制器2、成像透鏡3、合束器4、半導體平板5和計算機6。拆掉投影鏡頭的dlp投影儀兼具本發(fā)明的光源1和空間光調(diào)制器2的功能，可用在本發(fā)明中。投影儀采用rgb三基色led照明，混合成為500流明的白光后可作為光源1。rgb三基色中三種顏色的光子能量均大于半導體硅的禁帶寬度，可以激發(fā)半導體硅的光電效應。投影儀內(nèi)的dlp模塊可作為本發(fā)明的空間光調(diào)制器2。dlp模塊通過投影儀上的圖形接口與計算機6相連接。本發(fā)明也可以使用專用的dlp開發(fā)控制板來實現(xiàn)dlp模塊與計算機的連接，但是這樣會增加成本。

作為本發(fā)明的另一種實施方式，也可以使用擴束后的高功率激光作為光源1，并使用投影儀內(nèi)的dlp模塊作為空間光調(diào)制器2。使用高功率激光作為光源1可以獲得更接近金屬的實驗效果，而使用投影儀自帶的led光源可以大幅簡化本發(fā)明驗證裝置的結構。

計算機6可將太赫茲金屬超材料的周期性諧振結構圖形輸出到空間光調(diào)制器2。此周期性諧振結構圖形可以是預先存儲在計算機6中，也可以是由計算機6實時生成?？臻g光調(diào)制器2將周期性諧振結構圖加載到光源1發(fā)出的光束。加載了周期性諧振結構圖形的光束先后經(jīng)過成像透鏡3、合束器4后成像到半導體平板5上。成像透鏡3可選用焦距為200mm、孔徑為50mm的消色差透鏡。成像透鏡3可將在空間光調(diào)制器2處加載到光束中的周期性諧振結構圖形按1：1的比例成像到半導體平板5上。當光源輻射的光子能量大于半導體的禁帶寬度時，光照會使半導體表面發(fā)生光電效應，吸收光子，產(chǎn)生能夠導電的光生載流子。所以當加載了周期性諧振結構圖形的光束照射到半導體平板5上時，會令半導體平板5上的光生載流子構建形成與太赫茲金屬超材料相同的周期性諧振結構。半導體平板5可以是由半導體硅構成的雙面光滑的平板。半導體硅具有光電效應，且可以使太赫茲波透射；同時，其禁帶寬度能量較低，光源1中的rgb三種顏色的光均可以激發(fā)其光電效應。合束器4可以是ito玻璃，合束器4能夠使光源1發(fā)出的可見光光束a從中透射，并能夠反射太赫茲波束b。同時由于ito玻璃較薄，當以45°角置于成像透鏡3和半導體平板5之間時，對成像效果幾乎沒有影響。使用時，需要令ito玻璃的導電面朝向入射太赫茲波束b，從而使ito玻璃能夠將太赫茲波束b反射到半導體平板5上。具體地說，太赫茲光譜儀發(fā)射出的太赫茲波束b可由合束器4的導電面入射，經(jīng)合束器4的反射后，照射到半導體平板5上的周期性諧振結構圖區(qū)域內(nèi)。太赫茲波束b與半導體平板5上的周期性諧振結構發(fā)生作用（例如改變相位、幅度等）后，透過半導體平板5而出射，最終進入太赫茲光譜儀中以獲得太赫茲頻率響應曲線。（參見圖1）

投影儀中的dlp模塊采用0.45英寸dmd芯片實現(xiàn)對光束的調(diào)制。dmd芯片具有1280×800個微反射鏡陣列，微反射鏡的二維分布周期為7.6μm。微反射鏡陣列在半導體平板上的像為9.73×6.08mm，大于常用太赫茲波段（0.2-2thz）波束的焦點尺寸。由于受到微反射鏡尺寸的限制，構成超材料微結構單元的圖形分辨率被限制在7.6μm。此分辨率已經(jīng)足以勝任太赫茲金屬超材料的實驗驗證。

按照透鏡成像定律調(diào)整物距（空間光調(diào)制器2和成像透鏡3之間的間距）和像距（成像透鏡3和半導體平板5之間的間距），本發(fā)明的驗證裝置可以調(diào)節(jié)半導體平板5上的周期性諧振結構圖的成像大小，從而在半導體平板5上獲得由光生載流子構建的不同面積和分辨率的周期性諧振結構圖。當成像變小時，半導體平板5上的周期性諧振結構圖的面積變小，但是分辨率提高，適用于對工作于較高頻率的太赫茲金屬超材料進行驗證；當成像變大時，半導體平板5上的周期性諧振結構圖的面積變大，分辨率變低，適用對工作于較低頻率的太赫茲金屬超材料進行驗證。

開口環(huán)結構是一種經(jīng)典的金屬超材料諧振結構，它能形成lc諧振，在諧振頻率處產(chǎn)生較窄的吸收峰。下面以對具有方形開口環(huán)結構的太赫茲金屬超材料的諧振效果進行實驗驗證為例來說明本發(fā)明驗證裝置的使用效果。

圖2示出了待驗證的方形開口環(huán)太赫茲金屬超材料的諧振結構單元的示意圖。圖2中，方形開口環(huán)的有關尺寸為：邊長d＝76μm，開口寬度g＝15.2μm，線寬w＝15.2μm。諧振結構的二維分布周期為197.6μm。

圖3為分別使用金屬和光生載流子兩種材料構建的方形開口環(huán)諧振器的諧振效果模擬圖。其中，方形開口環(huán)諧振器的諧振結構單元如圖2所示。圖3系使用有限元方法模擬計算得到。圖3中的曲線1為金屬構建的超材料在太赫茲波段的頻率響應曲線。從圖3中的曲線1可以看出，在理論上，金屬構建的超材料在0.288thz處具有帶阻濾波作用。圖3中的曲線2為使用光生載流子構建的周期性諧振結構在太赫茲波段的頻率響應曲線。與圖3中的曲線1相比，帶阻濾波的中心頻率紅移到0.24thz處，濾波強度也減弱一半。這是由于半導體光電效應所產(chǎn)生的光生載流子的電導率小于金屬的電導率所導致的。經(jīng)計算，曲線2所對應的半導體平板5的光照區(qū)域的電導率約為2×10⁴sm^-1，而金屬的電導率一般為10⁶sm^-1量級。如果換用功率更高的激光光源，或者采用光電效應更加強烈的半導體材料，可以獲得更接近金屬的電導率，從而減小曲線2同曲線1的差別。圖3中的曲線3為導電區(qū)域電導率為2×10⁵sm^-1時圖2所示的諧振結構對應的頻率響應曲線，其諧振頻率和諧振強度都更接近圖3中的曲線1。在進行模擬計算時，圖3中的曲線1、曲線2和曲線3的差別僅為構建諧振結構的材料的電導率不同。

半導體平板5上由光生載流子構建形成的周期性諧振結構如圖4所示。圖2所示的諧振結構單元為圖4中的周期性諧振結構圖的其中一個單元。受到空間光調(diào)制器2（dlp模塊）上的dmd微反射鏡數(shù)量的限制，在二維平面上呈周期性分布的諧振結構單元數(shù)量為49×30個。顯然，更換計算機6輸出的周期性諧振結構圖形則可以在半導體平板5上得到相應諧振結構的周期性光生載流子圖形，由此本發(fā)明同一個驗證裝置可以用于驗證具有不同周期性諧振結構的太赫茲金屬超材料，適用性廣。同傳統(tǒng)太赫茲金屬超材料的金屬微加工工藝相比，本發(fā)明驗證裝置省去了冗長的加工流程，大幅節(jié)約了加工時間。同時，本發(fā)明驗證裝置的各組成部分的成本總和，遠低于傳統(tǒng)金屬微加工設備的成本。

在本發(fā)明中，太赫茲光譜儀優(yōu)選太赫茲時域光譜儀。如圖1所示，發(fā)射模塊7、塑料透鏡8、塑料透鏡9和探測模塊10屬于太赫茲時域光譜儀的組成部分。此時，太赫茲波束b由太赫茲時域光譜儀的發(fā)射模塊7發(fā)射出。發(fā)射模塊7所發(fā)出的太赫茲波束b經(jīng)塑料透鏡8的聚焦后入射到合束器4的導電面上，并由合束器4反射到半導體平板5，再透過半導體平板5出射，由半導體平板5出射的太赫茲波束b由塑料透鏡9準直后到達太赫茲時域光譜儀的探測模塊10，由此獲得太赫茲頻率響應曲線。在本發(fā)明中，除太赫茲時域光譜儀外，還可選用返波管系統(tǒng)、光子混頻系統(tǒng)等其他類型的太赫茲光譜儀，此時太赫茲波束可由這些光譜儀的太赫茲源發(fā)射獲得。

太赫茲時域光譜儀所得到的實驗頻率響應曲線同圖3中的曲線2相吻合，證明由光生載流子構建的圖2所示方形開口環(huán)諧振結構具有圖3中的曲線2所示的諧振性能。由于圖3中的曲線1和曲線2僅僅存在導電區(qū)域電導率的區(qū)別，因此，同時也證明由金屬構建的同尺寸超材料具有圖3中的曲線1的諧振性能。

綜上可知，本發(fā)明太赫茲金屬超材料的驗證裝置可以極大地降低太赫茲金屬超材料的實驗驗證的設備成本和時間成本，極大地方便了太赫茲金屬超材料的實驗驗證，使太赫茲金屬超材料不再停留在理論計算和仿真設計上。