[发明专利]一种偏振可控的多频段超材料相干吸收器件

说明书

技术领域

本发明涉及一种偏振可控的多频段超材料相干吸收器件，属于电磁波和电磁超材料领域。

背景技术

吸波技术主要是利用吸波材料有效吸收入射电磁波并使其散射衰减的一类材料，它通过材料的各种不同的损耗机制将入射电磁波转化成热能或者是其它能量形式而达到吸收电磁波目的，其中，完美吸收器广泛应用于光探测器、频谱成像和测辐射热仪等领域。电磁超材料的出现，丰富了电磁领域的研究内容，也为实现多种新型微波器件、微纳器件提供了机遇。

超材料通常又被称为电磁超材料，它之所以能够引起众多研究者的兴趣的原因主要在于超材料能够产生在自然界中天然材料无法获得的电磁响应特性和能力。由于具有可以将内部基本单元结构进行周期性的人工排列的特性，根据不同形状和大小的几何结构，电磁超材料可以在理论上实现任意数值的介电常数和磁导率，从而即可产生自然界中天然材料所不具备的独特电磁响应的特性，能够实现对电磁波的调制，改变电磁波的传播方式。2008年，美国研究人员N.I.Landy提出了基于电磁超材料的完美吸收器的概念，利用三层结构，通过合理地设计结构参数，使该结构对特定频率的电磁波既不产生反射也不产生透射，实现了单一频率电磁波的完美吸收。此后，研究人员设计了多种不同结构的完美吸收器，研究频段从微波段扩展到THz频段、近红外频段、可见光频段。基于电磁超材料的光波段吸收器，厚度约为谐振波长的1/15，实验上实现了88％的吸收率。Tao等设计了THz频段的超材料吸收器，在1.3THz处吸收率约为70％。目前，越来越多的研究工作集中于多频与宽频超材料吸收器。Zhang提出了一种基于电谐振环结构的THz频段双频吸收器，其在0.45THz与0.92THz具有高吸收率。Shen设计一种基于开口谐振环结构的三频吸收器，可在4.06GHz，6.73GHz和9.22GHz分别实现99％，93％和95％的高吸收率。Cummer利用多层谐振环的组合结构实现了相对带宽为6.1％的宽频吸收器。Nie等设计了基于相干控制的动态可调谐吸收器，信号波与控制波相位差为0度是，在5.37GHz处，吸收率达到了98％；两束波的相位差为180度时，在4.95GHz和5.84GHz处吸收率分别为97.53％和90.50％。

以上所述的基于电磁超材料的完美吸收器，具有固定的工作频率，无法实现工作频率的切换。基于偏振切换以及相干控制的多频段电磁波完美吸收结构是利用电磁超材料的谐振特性，通过调节单元和相干波的参数以及相干波的偏振方向来实现对电磁波的零反射和零透射，从而实现对特定频率电磁波的选择性吸收，并且可以动态控制电磁波的吸收率。与之前的工作相比，我们设计的吸收器是通过偏振切换而改变吸收器的工作频率。利用偏振切换以及相干特性的超材料吸收器相比于传统材料，制作简单、操作方便、成本大幅降低，能够动态控制吸收率与切换工作频率，具有很大的潜在应用价值。

发明内容

本发明的目的是利用电磁超材料的谐振特性，提供一种偏振可控的多频段相干超材料吸收器件。这种电磁波吸收器可以对不同频率下偏振态不同的电磁波的选择性吸收，且效果良好。偏振可控的多频段相干超材料吸收器件由电磁超材料单元结构组成，具有加工简单、成本低、厚度薄、重量轻等特点，易于和被隐身的物体共形，因此具有很高的实用价值。

本发明的目的是这样实现的：包括介质层、对称设置在介质层两侧的电磁超材料层，且两个电磁超材料层的结构相同、对称设置，每个电磁超材料层是呈周期排列的非对称开口环结构，每个非对称开口环结构由两个长度不等的金属线或弧构成，具有相同的振幅和波长的信号波和控制波沿垂直于电磁超材料层的方向相向传播。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述电磁超材料层的层间设置有任意旋转角。

2.所述电磁超材料层的厚度为微米或者百纳米量级，材料是金属材料。

3.所述介质层的材料为PCB材料或半导体材料或玻璃，厚度为毫米或者百微米量级。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明制作简单，加工方便。利用成熟的PCB加工技术或者微纳加工技术可以完成对本发明的加工。传统的吸波材料需要复杂的工序，并且价格昂贵。

(2)本发明具有选择性吸收特性，此结构可以实现对特定频率的电磁波的选择性吸收，并且可以通过切换控制波和信号波的偏振态控制特定频率下此结构对电磁波的吸收率，在雷达隐身、成像以及测辐射仪等领域均有更加广阔的应用前景。