宽带和四频带可切换的双功能太赫兹吸波器

技术领域

本发明涉及太赫兹吸波器技术领域，具体涉及一种宽带和四频带可切换的双功能太赫兹吸波器。

背景技术

太赫兹(THz)波是一种频率在0.1THz到10THz之间的电磁波，该波处于低能量电子学与高能量光子学之间的过渡波段，是目前公认具有优良特性的电磁波段。

太赫兹吸波器是一种重要的太赫兹功能器件，依照其吸波特性可以大致分为窄带吸波器、多频带吸波器和宽带吸波器。太赫兹吸波器在电磁隐身、热辐射、热成像等相关应用领域有着广阔应用前景。

早期的太赫兹吸波器多为窄带吸收且只能以固定吸收率在固定频率下工作，想要改变吸波器的吸收特性和吸收率需对其几何形态和尺寸参数进行修改，这需要对已有器件重新设计加工。传统太赫兹吸波器一旦制成其吸收特性就被固定，一定程度上限制了太赫兹吸波器的发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种宽带和四频带可切换的双功能太赫兹吸波器，通过温度的变化改变其吸收特性和吸收率，旨在解决传统太赫兹吸波器一旦制成其吸收特性就被固定的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种宽带和四频带可切换的双功能太赫兹吸波器，包括多个太赫兹吸波单元，所述太赫兹吸波单元呈N×N分布，其中N为自然数；

所述太赫兹吸波单元从上至下依次由相变贴片层、宽带吸收介质层、相变底层、金属贴片层、多频吸收介质层和金属底层堆叠构成。

其中，所述太赫兹吸波单元周期边长p＝12μm。

其中，所述相变贴片层材料为二氧化钒，厚度t

其中，所述宽带吸收介质层的材料为聚酰亚胺，介电常数为3.5，厚度h

其中，所述相变底层的材料为二氧化钒，厚度t

其中，所述金属贴片层的材料为银电导率为6.301e7 S/m，金属贴片层的图案由内半径r

其中，所述多频吸收介质层的材料为聚酰亚胺，介电常数为3.5，厚度h

其中，所述金属底层的材料为银，电导率为6.301e7S/m，厚度t

本发明提供了一种宽带和四频带可切换的双功能太赫兹吸波器，通过将相变贴片层、宽带吸收介质层、相变底层、金属贴片层、多频吸收介质层和金属底层从上至下堆叠构成太赫兹吸波单元，再将多个太赫兹吸波单元周期排布形成太赫兹吸波器，在使用过程中只需通过温度改变其相变材料二氧化钒的电导率，就能实现吸收特性的切换和吸收率的灵活改变，解决了传统太赫兹吸波器一旦制成其吸收特性就被固定的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的一种宽带和四频带可切换的双功能太赫兹吸波器的三维结构示意图。

图2是本发明的一种宽带和四频带可切换的双功能太赫兹吸波器的侧视图。

图3是本发明的一种宽带和四频带可切换的双功能太赫兹吸波器的相变贴片层图案示意图。

图4是本发明的一种宽带和四频带可切换的双功能太赫兹吸波器的金属贴片层图案示意图。

图5是本发明的实施例随二氧化钒电导率变化的吸收光谱示意图。

图6是当二氧化钒电导率为(a)3×10

图7是本发明的实施例中前三层结构在二氧化钒不同电导率时的透射率示意图。

图8是当二氧化钒电导率为3×10

图9是当二氧化钒电导率为(a)3×10

图10是二氧化钒不同电导率下，本发明的实施例中太赫兹波(a-c)垂直入射时极化角与吸收率的关系、(d-f)TE极化入射以及(g-i)TM极化入射时入射角与吸收率的关系示意图。

图11是当二氧化钒电导率为0S/m时，本发明的实施例中吸收率最高的四个频率点处(a-d)相变贴片层和(e-h)金属贴片层的电场分布图。

图12是当二氧化钒电导率为0S/m时,本发明的实施例中太赫兹波(a)垂直入射时极化角与吸收率的关系、(b)TE极化以及(c)TM极化入射时入射角与吸收率的关系示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

请参阅图1至图4，本发明提供了一种宽带和四频带可切换的双功能太赫兹吸波器，包括多个太赫兹吸波单元，太赫兹吸波单元呈N×N分布，N为自然数。每个所述太赫兹吸波单元，从上至下依次由相变贴片层、宽带吸收介质层、相变底层、金属贴片层、多频吸收介质层和金属底层堆叠构成。吸波单元周期边长p＝12μm。

相变贴片层的材料为二氧化钒，该贴片层由半径r

宽带吸收介质层的材料为聚酰亚胺，该材料介电常数3.5，该介质层厚度h

相变底层的材料为二氧化钒，该底层厚度t

金属贴片层的材料为银，该材料的电导率σ银为6.301e7 S/m，该贴片层由内半径r

多频吸收介质层的材料为聚酰亚胺，该材料介电常数3.5，该介质层厚度h

金属底层的材料为银，该材料的电导率为6.301e7 S/m，该底层厚度t

传统的太赫兹吸波器一旦制成其吸收特性和吸收率就被固定且难以改变。本发明的目的在于不改变吸波器结构尺寸的情况下，实现吸收特性的切换以及吸收率的灵活改变。为实现该目的，本发明将二氧化钒相关的结构层(相变贴片层和相变底层)放在吸波器吸波单元的上半部分并利用介质层将其隔开，以发挥二氧化钒不同温度下在绝缘态和金属态之间切换的特性，从而实现吸波器吸收特性的切换。所设计的太赫兹吸波器应具有极化不敏感性，以及电磁波大角度斜入射时仍保持良好的吸收特性。基于以上两个目的，在吸波单元在设计时应尽量满足在x方向和y方向上具有对称性。吸波单元采用厚度大于趋肤深度的金属底层阻止入射电磁波的透射，当所设计的吸波器透射率为0时，只需采用阻抗匹配、多重反射干涉相消等方法减少吸波器的反射，就可以获得高吸收效果。在阻抗匹配理论中，整个吸波器件可以看作一个整体，其特性阻抗为z，自由空间的阻抗为z

式中，

相比阻抗匹配理论，多重反射干涉理论更加直观。当电磁波作用在吸波器上时，一部分电磁波在吸波器结构表面被反射回来，另一部分则会进入到吸波器结构内部继续传输，并最终在厚度大于趋肤深度且不可透过的金属底层发生反射。如果电磁波初次入射时的反射波与结构金属底层反射回来的出射波相位相同，则干涉相长反射增加；若相位相反，则干涉相消反射减少。

进一步的，本发明还提出了具体实施例进行仿真验证(详见图5至图12)：

具体的，所述宽带和四频带可切换的双功能太赫兹吸波器采用有限元法进行数值计算，使用CST Studio Suite对其进行性能仿真。设置x和y方向为周期性边界，z方向为开放边界。太赫兹波垂直表面沿-z方向入射。

太赫兹波段的二氧化钒介电常数使用Drude模型进行描述：

式中ω表示入射角频率，ε

式中σ

吸收率是反映吸收器件性能的重要参数，吸收率的计算公式为：

A＝1-|S

其中，S

图5展示了随二氧化钒电导率变化的吸收光谱，二氧化钒是一种具有相变特性的金属氧化物，室温下，二氧化钒为单斜晶体结构，具有较高的电阻率和绝缘性能；当温度大于68℃时，二氧化钒转变为正方体金红石结构，具有金属特性。二氧化钒的电导率会随着温度的升高而增加，其温度接近68℃时会发生从绝缘状态到金属状态的相变效应，此时二氧化钒的电导率可以在小范围的温度变化内增加三到四个数量级。二氧化钒的相变是可逆的，当温度再次降至68℃以下时，其电导率可以完全恢复到初始状态。由图5可以看出在二氧化钒高电导率时整体呈现宽带吸收的效果，当二氧化钒处于绝缘态时，在太赫兹波段实现四个频带的高吸收效果。

图6进一步展示了二氧化钒电导率为3×10

图7展示了吸波器前三层结构(相变贴片层、宽带吸收介质层和相变底层)在二氧化钒不同电导率下的透射情况，当二氧化钒电导率为3×10

图8是二氧化钒金属态在不同电导率下，吸波器产生宽带吸收效果时吸收率最高频率点处的电场图。当二氧化钒电导率为3×10

为了进一步阐述吸波器宽带吸收时的吸收机制，提取二氧化钒在电导率为3×10

图10(a-c)是二氧化钒电导率为3×10

图11是二氧化钒绝缘态电导率为0S/m时，吸收率最高的四个频率点处相变贴片层和金属贴片层的电场分布。由图11(a-d)可以看出，二氧化钒处于绝缘态时在相变贴片层上几乎没有能量分布。由图7可知，该电导率下绝大部分的太赫兹波都能通过二氧化钒薄膜构成的相变底层进入到金属贴片层。观察金属贴片层的电场分布可以看出，2.23THz频率处的电场能量主要集中在外环、中间环、内环开口处；4.06THz频率处的电场能量主要集中在内环、中间环和外环的开口处；5.80THz频率处的电场能量主要集中在三个环的开口处；9.82THz频率处的电场能量主要集中在三个环的开口处以及外环上。不同开口环在不同频率点处的共同作用叠加形成了四频带的高吸收效果。

图12(a)是二氧化钒绝缘态时，太赫兹波垂直入射时极化角与吸收率的关系。随着极化角度的变化吸收率发生改变，这是二氧化钒绝缘态时产生主要吸收效果的金属贴片层在x和y方向并非都为称图形导致的极化敏感。尽管二氧化钒绝缘态时吸波器极化敏感，但如图12(b)所示，该吸波器在太赫兹波TE极化入射时，前三个频带仍能在入射角小于75°时正常工作保持高吸收率。如图12(c)所示，太赫兹波TM极化垂直入射时，在6.45THz和9.46THz频率处产生较高吸收率，TM极化时产生的双频带吸收效果同样可以在入射角小于75°时保持较高吸收率。

模拟结果显示，当吸波器中的二氧化钒处于金属态时，随其电导率的变化该吸波器可以实现不同带宽的宽带吸收效果。当太赫兹波垂直入射，二氧化钒电导率为3×10

当吸波器中的二氧化钒处于绝缘态，电导率为0S/m时，该吸波器实现多频带吸收效果。在太赫兹波段范围内能够产生四个频带的高吸收，其中2.23THz、4.06THz、5.80THz、9.82THz频率处均能达到99％的吸收率。该吸波器实现四频带高吸收效果时，TE极化入射同样具有广角吸收的优点。

本发明设计的太赫兹吸波器只需通过温度改变其相变材料二氧化钒的电导率，就能实现吸收特性的切换和吸收率的灵活改变，在隐身、选择性热发射器和太阳能光伏等领域具有巨大的发展前景。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。