[发明专利]一种基于平面开口环结构的太赫兹增透膜

说明书

本发明提出了一种基于平面开口环结构的太赫兹增透膜。该增透膜包含聚合物介质基底和金属两层结构，通过CST软件建模及仿真计算验证了钱币型开口环作为增透膜可以将反射率降低至0.0001甚至更低，反射抑制带宽可达0.49THz，并且具有偏振不敏感性，反演参数算法求得所设计增透膜在反射低谷处满足反射抑制条件并且可以将增透膜假设为均质四分之一波长增透膜。进一步经过参数扫描仿真对金属结构尺寸及聚合物厚度进行分析，发现通过调整结构参数可以使带宽进一步优化，而且所设计增透膜表现出一定的容差特性。

技术领域

本发明属于超材料设计，更具体的是，涉及一种基于平面开口环结构的太赫兹增透膜。

背景技术

太赫兹波是指频率介于0.1-10THz，处于微波与远红外辐射之间的一段电磁波，在宽带通信，雷达技术，医学图像技术等方面都有着非常大的应用潜力。太赫兹技术的发展离不开对太赫兹功能器件的应用。高电阻率浮区单晶硅(High-resistivity Float-zoneSingle-crystal Silicon,HRFZ-Si)是在太赫兹频率范围内广泛应用的各向同性结晶电介质材料。然而，HRFZ-Si的高折射率()无法与空气实现折射率匹配，使得在空气和硅交界面的反射率达到30％，并且其在传输光谱中引入了法布里-珀罗干涉条纹，透射率降低到了50％左右，极大地影响实际应用性能。因此就需要在空气与硅之间加入性能良好的增透膜以增加透射，降低反射。

传统的光学四分之一波长增透膜利用了光的干涉原理，这种技术只能应用于小于1THz的范围，无法达到宽带和多波长的要求。太赫兹波段常见的增透技术有以下两种。第一种方法是使用超薄金属膜来作为增透膜，如超薄铬、纳米金膜等，也有人提出使用多层石墨烯堆叠作为增透膜，原理都是通过阻抗匹配来对反射进行抑制，这种技术可以得到几乎完美的增透膜，但是对精度要求非常高，增透膜的厚度只有几纳米左右。第二种是通过将硅的表面做成浮雕结构，使得折射率逐渐的变化，从而使空气与硅的折射率匹配。这种技术需要运用微米或毫米切割技术对高阻硅表面进行切割或腐蚀，加工难度非常大。之后，利用超材料来实现对太赫兹波的有效调控引起了人们的广泛关注。

超材料(Metamaterials,MM)是具有人工的、周期的元胞结构的宏观复合材料，可以被设计为产生自然界所不具备的性质的优化组合，对特定的激励会产生两种或两种以上的反应，如电场谐振，介电常数为负等，超材料也成为了近年来学术研究的热点，虽然超材料的发展历史只有近二十年，但是涌现出了许多新思想、新成果以及新应用，并且为材料学、电磁学等多个学科的发展和交叉打开了新的大门。超材料的单元结构尺寸常小于甚至远小于工作波长，因此在长波长条件下具有等效介电常数和等效折射率，这些电磁参数主要依赖于其基本组成单元的谐振特性，从而区别于通常意义上的光子晶体或者人工电磁带隙材料

[20]1-2。由于超材料具有常规材料所不具有的奇异物理特性，打破了常规材料的众多限制，作为新的材料设计理念为人们解决实际问题方法带来了革命性的改变。

2010年陈侯桐等人基于超材料实现了具有超低反射率的增透膜，这种超材料由开口环谐振器(SRR)和金网格构成，中间由聚合物进行支撑，可以在特定单一频率上实现对反射的有效抑制。与上述传统增透膜技术相比，超材料技术能够通过调整结构尺寸满足不同频率上的反射抑制需求，具有高设计灵活度等优势。最初对开口环的应用来源于1999年J.B.Pendry利用电场激发SRR产生磁谐振实现了负磁导率，之后开始了对SRR的大量应用，如滤波器、吸波体、谐振器等。

发明内容

针对上述现状，本发明提出了一种平面对称开口环结构作为太赫兹增透膜，通过CST仿真软件计算出反射率最小可达到0.0001左右，反射率小于0.1的带宽可达0.49THz，并且表现出对入射波偏振态的不敏感性。通过反演参数算法计算出所设计增透膜的等效折射率，并且研究了所设计增透膜的反射抑制机理。利用仿真软件参数扫描功能分析了金属圆环结构及聚合物厚度对反射率及带宽的影响，通过调整结构参数可以在带宽上有更优的效果，带宽最大可达到0.6THz作用，并且证明了所设计结构具有一定的容差能力。