小半球结构太赫兹双功能器件及其方法
阅读说明：本技术 小半球结构太赫兹双功能器件及其方法 (Small hemispherical structure terahertz dual-function device and method thereof ) 是由 李九生 于 2021-08-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种小半球结构太赫兹双功能器件及其方法。该器件包括太赫兹波输入端、激光输入端、N×N个正方形单元结构,N为自然数,N×N个正方形单元结构周期排列在与太赫兹波输入方向垂直的平面上；单元结构包括衬底金属板、小半球体介质层和附着于介质层上的双层混合材料圆环；其中,小半球体介质层位于衬底金属板上方。本发明的小半球结构太赫兹双功能器件具有制作方便、方便调节、吸收、交叉极化转换率带宽大、多功能等特点,满足太赫兹波系统的应用要求。(The invention discloses a terahertz dual-function device with a small hemispherical structure and a method thereof. The terahertz wave detector comprises a terahertz wave input end, a laser input end and N multiplied by N square unit structures, wherein N is a natural number, and the N multiplied by N square unit structures are periodically arranged on a plane vertical to the terahertz wave input direction; the unit structure comprises a substrate metal plate, a small hemispheroid medium layer and a double-layer mixed material ring attached to the medium layer; wherein the small semi-sphere medium layer is positioned above the substrate metal plate. The small hemispherical structure terahertz dual-function device has the characteristics of convenience in manufacturing, convenience in adjustment and absorption, large cross polarization conversion rate bandwidth, multiple functions and the like, and meets the application requirements of a terahertz wave system.)
技术领域
本发明涉及太赫兹多功能器件，尤其涉及一种小半球结构太赫兹双功能器件及其方法。
背景技术
太赫兹泛指频率在0.1～10THz范围内的电磁波，其频率位于红外与微波之间，是宏观电子学与微观光子学的过渡区。由于太赫兹波介于电磁领域与量子领域之间，其在电磁波谱中的地位十分特殊。这也使它成为了一种国际公认的前沿技术。太赫兹波具有高透性、低能性、指纹谱性、频带宽、波长短、吸水性强等特点，这些性质使太赫兹波的实际应用非常广泛，如医学诊断、通信、成像、空间天文学、安检等。受限于太赫兹波产生和检测方法的缺失，以往人们对太赫兹波段电磁辐射性质所知甚少。随着相应技术的产生与突破，太赫兹波凭借其独特的优势引起研究者的深入关注。现如今，太赫兹科学技术已成为科技发展的一条必经之路。
近年来，太赫兹器件已具备多种功能，如吸收、滤波、开关、极化转换等。
这些太赫兹功能器件在太赫兹雷达、太赫兹通信、太赫兹波成像等太赫兹波应用领域都展示出了广阔的应用前景。然而现有的太赫兹功能器件往往结构复杂、功能单一，制作成本较高，不仅对加工工艺与加工环境有严苛的需求，而且难以满足实际应用的需要。因此迫切需要研究出一种结构简单、多功能可切换的太赫兹器件来满足太赫兹系统的应用需要。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，并提供一种小半球结构太赫兹双功能器件及其方法，其吸收带宽达为6.04THz，交叉极化转换率带宽为3.33THz。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种小半球结构太赫兹双功能器件，它包括N×N个正方形周期单元结构，N为自然数；N×N个正方形周期单元结构排列在与太赫兹波输入方向垂直的平面上；每个正方形周期单元结构包括衬底金属板、小半球体介质层以及贴附于小半球体介质层上的下层圆环和上层圆环；所述小半球体介质层的形状为半球体被一个与底面平行的平面截掉一段高度后得到的球缺，小半球体介质层的底面置于正方形的衬底金属板上；
所述下层圆环和上层圆环为两个内表面紧贴于小半球体介质层上的圆环，由三个平行平面对一个空心半球壳进行切割后得到，上方两个平面之间形成上层圆环，下方两个平面之间形成下层圆环；
所述下层圆环被第一长方体和第二长方体切割成一段第一下层环片、一段第三下层环片与两段第二下层环片，两段第二下层环片均位于第一长方体和第二长方体之外，四段下层环片头尾相接连续拼接；
所述上层圆环被第三长方体和第四长方体切割成一段第一上层环片、一段第三上层环片与两段第二上层环片，两段第二上层环片均位于第三长方体和第四长方体之外，四段上层环片头尾相接连续拼接；
其中第一长方体、第二长方体、第三长方体和第四长方体的长轴线均垂直于衬底金属板，四个长方体宽度方向的一个侧面重叠于同一个平面内，且衬底金属板的中心垂线位于四个长方体的重叠面中，第一下层环片和第一上层环片均位于该重叠面的一侧，第三下层环片和第三上层环片均位于该重叠面的另一侧，正方形周期单元结构以衬底金属板的一条对角线所在的垂直面为中心呈镜像对称结构。
作为优选，所述的小半球体介质层中，所述球缺由半径为9μm～10μm的半球体截掉0.2μm～0.8μm高度后得到。
进一步的，所述的小半球体介质层材料为二氧化硅。
进一步的，所述下层圆环的上表面外半径为4.8μm～5.2μm，下表面外半径为7.2μm～7.6μm，球径方向厚度为0.4μm～0.6μm，切割形成第一下层环片的第一长方体宽度为3μm～7μm，切割形成第三下层环片的第二长方体宽度为10μm～15μm.
进一步的，所述下层圆环中，第一下层环片和第三下层环片的材料为光导硅，第二下层环片的材料为金。
进一步的，所述上层圆环的上表面外半径为7.2μm～7.6μm，下表面外半径为8.2μm～8.6μm，球径方向厚度为0.4μm～0.6μm，切割形成第一上层环片的第三长方体宽度为10μm～15μm，切割形成第三上层环片的第四长方体宽度为3μm～7μm。
进一步的，所述上层圆环中，第一上层环片和第三上层环片的材料为金，第二上层环片的材料为光导硅。
进一步的，所述的衬底金属板为金，边长为20μm～22μm。，厚度为1μm～2μm。
另一方面，本发明提供了一种如上述小半球结构太赫兹双功能器件的调控方法，其具体为：通过调节外加激光的强度来改变下层圆环和上层圆环中光导硅的电导率，实现吸收偏振转换可调可切换功能。
作为优选，当太赫兹波从太赫兹波输入端输入时，在下层圆环与上层圆环有外加激光条件下，该器件获得3.96THz～10THz范围内吸收率超过90％的6.04THz带宽；在无外加激光条件下，该器件获得3.88～7.21THz范围内交叉极化转换率超过90％的3.33THz带宽，且在4.02～4.97THz与6.07～7.03THz范围内交叉极化转换率超过99％，带宽合计为1.91THz；当改变太赫兹波的入射角度在0°～50°范围内调节时，该器件保持90％以上的吸收率与交叉极化转换率；下层圆环和上层圆环的外加激光强度改变过程中，该器件的具有18％°～94％范围内的吸收率可变性与1％～99％范围内的交叉极化转换率可变性。
本发明的小半球结构太赫兹双功能器件具有结构简单紧凑，吸收率、交叉极化转换率可调可切换，吸收、交叉极化转换率带宽大等特点，满足在太赫兹波成像、医学诊断、传感、通信等领域应用要求。
附图说明
图1是小半球结构太赫兹双功能器件的二维平面图和三维单元结构图；
图2是小半球结构太赫兹双功能器件的下层圆环在小半球体介质层上的俯视图；
图3是小半球结构太赫兹双功能器件的上层圆环在小半球体介质层上的俯视图；
图4是小半球结构太赫兹双功能器件的最佳吸收光谱图；
图5是小半球结构太赫兹双功能器件的最佳交叉极化转换率光谱图；
图6是小半球结构太赫兹双功能器件的光导硅不同电导率的吸收率对比图；
图7是小半球结构太赫兹双功能器件的光导硅不同电导率的交叉极化转换率对比图；
图8是小半球结构太赫兹双功能器件不同入射角度的吸收率对比图；
图9是小半球结构太赫兹双功能器件不同入射角度的交叉极化转换率对比图。
具体实施方式
如图1所示，在本发明中提供了一种小半球结构太赫兹双功能器件，它包括N×N个正方形周期单元结构1、太赫兹波输入端2和激光输入端3；N×N个正方形周期单元结构1排列在与太赫兹波输入方向垂直的平面上，N为自然数，具体数量不限，根据器件所需的面积连续排列即可。
每个正方形周期单元结构1的结构形式相同，均包括衬底金属板7、小半球体介质层4以及贴附于小半球体介质层4上的下层圆环5和上层圆环6。其中，小半球体介质层4的形状为球缺形状，是由一个半球体被一个与半球体底面平行的平面截掉一段高度后得到的，该球缺小于半球体，因此本发明中将其称为小半球体。小半球体介质层4的底面置于平面为正方形的衬底金属板7上，且其底面的中心与衬底金属板7上表面中心重合。
下层圆环5和上层圆环6为两个内表面紧贴于小半球体介质层4上的圆环，这两个圆环都是具有空间曲率的环体，其形成方式为：利用三个平行且具有一定间隔的平面对一个空心半球壳进行切割，去掉顶部和底部的两部分后即可得到两个环体，其中上方两个平面之间形成了上层圆环6，下方两个平面之间形成了下层圆环5。需注意，为了保证下层圆环5和上层圆环6内表面能够贴合小半球体介质层4得到外表面，前述的空心半球壳的内径应当与小半球体介质层4的外径相等。
另外，下层圆环5被第一长方体和第二长方体切割成四段下层环片，包括一段第一下层环片8、一段第三下层环片10与两段第二下层环片9，第一下层环片8和第三下层环片10各自位于第一长方体和第二长方体内，而两段第二下层环片9均位于第一长方体和第二长方体之外，四段下层环片头尾相接连续拼接形成了下层圆环5。需注意的是，前述的第一长方体和第二长方体仅仅是为了说明下层圆环5中四段环片的分段形式而引入的，但并非下层圆环5的组成部件。第一长方体和第二长方体的长轴线(即与长度方向平行的中轴线)与衬底金属板7垂直，而且两个长方体之间宽度方向的一个侧面是重叠的，两个长方体分别位于重叠面的两侧。由此，第一下层环片8实质为第一长方体与下层圆环5的相交部分，第三下层环片10实质为第二长方体与下层圆环5的相交部分，下层圆环5其余未相交的部分即形成了两段第二下层环片9。
同样的，上层圆环6被第三长方体和第四长方体切割成四段上层环片，包括一段第一上层环片11、一段第三上层环片13与两段第二上层环片12，第一上层环片11和第三上层环片13各自位于第三长方体和第四长方体内，而两段第二上层环片12均位于第三长方体和第四长方体之外，四段上层环片头尾相接连续拼接形成了上层圆环6。同样需注意的是，前述的第三长方体和第四长方体仅仅是为了说明上层圆环6中四段环片的分段形式而引入的，但并非上层圆环6的组成部件。第三长方体和第四长方体的长轴线(即与长度方向平行的中轴线)也与衬底金属板7垂直，而且两个长方体之间宽度方向的一个侧面也是重叠的，两个长方体分别位于重叠面的两侧。由此，第一上层环片11实质为第三长方体与上层圆环6的相交部分，第三上层环片13实质为第四长方体与上层圆环6的相交部分，上层圆环6其余未相交的部分即形成了两段第二上层环片12。
整个正方形周期单元结构1是一种镜像对称结构，其镜像对称的中心面是垂直于衬底金属板7的一个垂直面，且衬底金属板7的一条对角线在该垂直面内。因此，第一长方体、第二长方体、第三长方体和第四长方体宽度方向的一个侧面实际上均重叠于同一个平面内，衬底金属板7的中心垂线位于这四个长方体共同的重叠面中，这个重叠面与前述镜像对称的中心面是垂直的。第一下层环片8和第一上层环片11均位于该重叠面的一侧，而第三下层环片10和第三上层环片13均位于该重叠面的另一侧。
在该正方形周期单元结构1中，太赫兹波输入端2在结构的正上方，太赫兹波可以以一定的偏角入射，激光输入端3则位于下层圆环5和上层圆环6位置，通过改变外加激光的强度，使得下层圆环5和上层圆环6中的光导硅载流子浓度改变，从而导致其电导率迅速发生变化，进而实现吸收偏振转换可调可切换功能。
上述小半球结构太赫兹双功能器件中，各部件的具体结构参数和材料可采用以下形式：小半球体介质层4中，所对应的球缺由半径为9μm～10μm的半球体截掉0.2μm～0.8μm高度后得到。小半球体介质层4材料为二氧化硅。下层圆环5的上表面外半径为4.8μm～5.2μm，下表面外半径为7.2μm～7.6μm，球径方向厚度(即前述空心半球壳的厚度)为0.4μm～0.6μm，切割形成第一下层环片8的第一长方体宽度为3μm～7μm，切割形成第三下层环片10的第二长方体宽度为10μm～15μm。下层圆环5中，第一下层环片8和第三下层环片10的材料为光导硅，第二下层环片9的材料为金。上层圆环6的上表面外半径为7.2μm～7.6μm，下表面外半径为8.2μm～8.6μm，球径方向厚度(即前述空心半球壳的厚度)为0.4μm～0.6μm，切割形成第一上层环片11的第三长方体宽度为10μm～15μm，切割形成第三上层环片13的第四长方体宽度为3μm～7μm。上层圆环6中，第一上层环片11和第三上层环片13的材料为金，第二上层环片12的材料为光导硅。衬底金属板4为金，边长为20μm～22μm。，厚度为1μm～2μm。
上述小半球结构太赫兹双功能器件的调控方法是通过调节外加激光的强度来改变下层圆环5和上层圆环6中光导硅的电导率，实现吸收偏振转换可调可切换功能。在本发明的后续实施例中，当太赫兹波从太赫兹波输入端1输入时，在下层圆环5与上层圆环6有外加激光条件下，即光导硅电导率σ＝10000S/m时，该器件获得3.96THz～10THz范围内吸收率超过90％的6.04THz带宽；在无外加激光条件下，即光导硅电导率σ＝0.00025S/m时，该器件获得3.88～7.21THz范围内交叉极化转换率超过90％的3.33THz带宽，且在4.02～4.97THz与6.07～7.03THz范围内交叉极化转换率超过99％，带宽合计为1.91THz；当改变太赫兹波的入射角度在0°～50°范围内调节时，该器件保持90％以上的吸收率与交叉极化转换率；下层圆环5和上层圆环6的外加激光强度改变过程中，该器件的具有18％°～94％范围内的吸收率可变性与1％～99％范围内的交叉极化转换率可变性。
下面基于该小半球结构太赫兹双功能器件，通过实施例说明其具体技术效果。
实施例1
本实施例中，小半球结构太赫兹双功能器件的结构和各部件形状如上所述，因此不再赘述。但各部件的具体参数如下：
小半球体介质层4中，所对应的球缺由半径为9.5μm的半球体截掉0.5μm高度后得到。小半球体介质层4材料为二氧化硅。下层圆环5的上表面外半径为5.0μm，下表面外半径为7.4μm，球径方向厚度为0.5μm，切割形成第一下层环片8的第一长方体宽度为5μm，切割形成第三下层环片10的第二长方体宽度为12μm。下层圆环5中，第一下层环片8和第三下层环片10的材料为光导硅，第二下层环片9的材料为金。上层圆环6的上表面外半径为7.5μm，下表面外半径为8.4μm，球径方向厚度为0.5μm，切割形成第一上层环片11的第三长方体宽度为12μm，切割形成第三上层环片13的第四长方体宽度为5μm。上层圆环6中，第一上层环片11和第三上层环片13的材料为金，第二上层环片12的材料为光导硅。衬底金属板4为金，边长为20μm。，厚度为1μm。
该吸收器通过改变外加激光的强度来改变光导硅的电导率，达到吸收偏振转换可调可切换功能。由于该小半球结构太赫兹双功能器件底层有金属板，因此太赫兹波不能透射出去。该小半球结构太赫兹双功能器件的各项性能指标均采用CST STUDIO SUITE 2019软件进行仿真计算获取。图4是小半球结构太赫兹双功能器件的最佳吸收性能图，当太赫兹波从太赫兹波输入端输入时，在上下圆环层有外加激光条件下，即光导硅电导率σ＝10000S/m时，该器件处于吸收模式，此时在3.96THz～10.00THz带宽范围内吸收率超过90％，其带宽可达6.04THz。图5是小半球结构太赫兹双功能器件的最佳交叉极化转换率光谱图，在上下圆环层无外加激光条件下，即光导硅电导率σ＝0.00025S/m时，该器件处于交叉极化转换模式，此时在3.88THz～7.21THz带宽范围内交叉极化转换率超过90％，其带宽可达3.33THz，其中4.02～4.97THz与6.07～7.03THz范围内交叉极化转换率超过99％，带宽合计为1.91THz。图6是小半球结构太赫兹双功能器件的光导硅不同电导率的吸收率对比图，当上下圆环层的外加激光条件改变时，由于光导硅载流子浓度改变从而导致其电导率迅速发生变化，由图可知，该器件在吸收模式下的吸收性能随着电导率的减小而先增后减，在3.96THz～10.00THz范围内吸收率最低可达18％，此时吸收器获得了18％～94％的吸收率可调性。图7是小半球结构太赫兹双功能器件的光导硅不同电导率的交叉极化转换率对比图，由图可知，该器件在交叉极化转换模式下的交叉极化转换率随着电导率的减小而增大，在3.88THz～7.21THz范围内交叉极化转换率最低可达1％，此时吸收器获得了1％～99％的交叉极化转换率可调性。图8是小半球结构太赫兹双功能器件不同入射角度的吸收率对比图，当太赫兹波的入射角度在0°～50°范围内改变时，小半球结构太赫兹双功能器件在带宽范围内可保证90％以上吸收率的存在；图9是小半球结构太赫兹双功能器件不同入射角度的交叉极化转换率对比图，当太赫兹波的入射角度在0°～80°范围内改变时小半球结构太赫兹双功能器件在带宽范围内可保证90％以上交叉极化转换率的存在。