[发明专利]一种太赫兹金属超材料的验证装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种对太赫兹金属超材料的设计进行验证的验证装置，属于太赫兹金属超材料技术领域。

背景技术

太赫兹金属超材料是一种人工设计制作的由亚波长周期性金属谐振结构组成的功能材料。由于其具备负折射率等自然材料所不具有的特性，成为解决太赫兹波段缺乏自然材料的主要途径，因而获得了研究者的广泛关注。然而大量的研究工作主要集中于太赫兹金属超材料的理论计算和仿真设计，仅有极少数的超材料得到加工和实验验证。这主要是受到目前金属微结构加工设备昂贵、加工工艺复杂、耗时的制约。即使像激光直写等工艺，虽然在原有光刻工艺基础上进行了简化，但是其加工成本依然超出一般研究者的承受能力。因此提出一种方便可靠的太赫兹金属超材料的验证装置对于太赫兹金属超材料的研究具有巨大的推动作用。

在金属超材料中应用半导体的光电效应，最早出现于对频率可调滤波器的研究中。研究者将金属超材料中谐振结构的局部同半导体材料相连接。当没有光照射到半导体结构上时，半导体是绝缘的，谐振结构仅仅体现金属部分的功能。当有光照射到半导体结构上时，光电效应产生的光生载流子使半导体表现为导体，同金属结构结合，组成新的谐振结构，产生新的效应或者频率的偏移。半导体的光电效应在超材料中的应用，已经扩展到可调频反射镜、高频调制器等领域，但是尚未出现完全使用半导体光电效应构建超材料的报道。

空间光调制器是指在主动控制下，通过其内部二维分布的微执行单元，调制光场的振幅、相位、偏振等参量，从而将一定的信息加载到光波的调制器。普通投影仪的图像模块就是一种调制振幅的空间光调制器。目前应用最为广泛的空间光调制器为液晶阵列（LCD）和数字微反射镜阵列（DMD），前者可以调整光场的振幅、相位和偏振，后者仅能调整光的有无，但是具有更高的对比度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种太赫兹金属超材料的验证装置，用以解决太赫兹金属超材料加工成本高昂而使太赫兹金属超材料停留在理论计算和仿真设计上的问题，降低太赫兹金属超材料的实验验证成本。

本发明解决其技术问题所采取的技术手段是：

本发明太赫兹金属超材料的验证装置包括光源、空间光调制器、成像透镜、合束器、半导体平板、计算机和太赫兹光谱仪，所述光源辐射的光子能量大于所述半导体平板的材料的禁带宽度，空间光调制器与计算机连接以使太赫兹金属超材料的周期性谐振结构图形能够由计算机输出到空间光调制器；光源发出的光束进入空间光调制器中后，空间光调制器能够将周期性谐振结构图形加载到光束中；加载了周期性谐振结构图形的光束先后经由成像透镜、合束器透射到半导体平板上后能够激发半导体平板的半导体产生光生载流子，并使光生载流子在半导体平板上构建形成与太赫兹金属超材料相同的周期性谐振结构；太赫兹光谱仪发射的太赫兹波束能够被合束器反射后照射到半导体平板上的周期性谐振结构图区域内，并穿过半导体平板出射而进入太赫兹光谱仪。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）本发明的太赫兹金属超材料的验证装置由于使用光子能量大于半导体平板的材料的禁带宽度的光源，光源发出的光束进入空间光调制器中后，能够加载由计算机输入的太赫兹超材料的周期性谐振结构图形，加载了周期性谐振结构图形的光束经由成像透镜照射半导体平板时，能够激发半导体发生光电效应而产生能够导电的光生载流子，并使光生载流子在半导体平板上构建形成与太赫兹金属超材料相同的周期性谐振结构。这些导电的光生载流子和太赫兹波之间的相互作用与金属和太赫兹波之间的相互作用机理相同，因而可以取代金属构建与太赫兹金属超材料相同的周期性谐振结构进行实验验证。

（2）本发明太赫兹金属超材料的验证装置，可以极大地降低太赫兹金属超材料的实验验证成本。加载了周期性谐振结构图形的光束经由成像透镜照射半导体平板时，能够激发半导体发生光电效应而产生能够导电的光生载流子，并使光生载流子在半导体平板上构建形成与太赫兹金属超材料相同的周期性谐振结构。由于使用光生载流子图形替代了传统金属超材料中起导电作用的金属图形，省去了传统的金属微加工过程中昂贵的设备成本和复杂的工艺流程，极大地降低了设备成本。同时，由于光生载流子在半导体平板上构建形成与太赫兹金属超材料相同的周期性谐振结构的时间仅为毫秒级，直接省去了冗长耗时的传统的金属微加工过程，从而可以实现在实验过程中实时更换不同结构参数的太赫兹金属超材料进行验证。