[发明专利]一种基于结构化水层的超宽带柔性THz吸收器

说明书

一种基于结构化水层的超宽带柔性THz吸收器，其特征在于：所述吸收器包含四层结构，从顶层到底层依次为：第一层为介质层，第二层是结构化的水层，其结构为一个长方体顶部加一个半球，第三层为与第一层相同的介质层，第四层为导电玻璃层。通过引入结构化的水层，使所述吸收器在极宽的频带内其特征阻抗均能与自由空间阻抗匹配良好，从而在极宽的频带内均能保持极高的吸收。所述吸收器的第一层介质层与第二层结构化水层的分界面、第四层金属反射层之间构成腔长连续变化的法布里‑珀罗谐振腔，使进入吸收器的波长连续变化的电磁波在内部多次反射并发生相消干涉，直到被完全吸收。

技术领域

本发明属于太赫兹超材料设计技术领域，具体涉及一种基于结构化水层的超宽带柔性THz吸收器。

背景技术

太赫兹(THz)波是指频率范围在0.1～10THz的电磁波，位于微波与红外波的频率间隙，是电子学向光子学的过渡区，被称为“太赫兹间隙”。THz波的许多特性，如低能性、宽带性、指纹谱性等，使其在无损探测、无线通讯、生物医学等方面具有极大的应用潜力。基于此，国内外学者对THz技术及其应用开展了一系列的研究。然而，由于THz波与传统材料的电磁响应十分微弱，导致THz探测器、调制器等器件匮乏，这极大限制了THz波的研究与应用。超材料，一种亚波长单元结构按特定排列方式构成的人工复合材料，为THz器件的发展注入了新鲜血液，提供了无限可能性。近年来，基于超材料的THz器件如雨后春笋一般，THz完美吸收器、THz超透镜、THz偏振转换器等得到大量研究。其中，THz吸收器因其在电磁兼容、隐身、热辐射收集等方面具有重要应用而成为了当今研究热点之一。目前，对THz吸收器的研究已经日趋成熟，但其仍然存在带宽窄、应用场景太苛刻等问题。因此，需要进一步针对具有更宽工作频带的吸收器展开研究。

传统的宽带THz吸收器的主要方案是通过在同一个单元结构中堆叠不同尺寸的谐振器，通过不同尺寸谐振器激发的谐振峰之间相互耦合以达到宽带吸收的目的。堆叠谐振器主要有两种途径，其一是在同一个平面排列能激发不同频点谐振峰的谐振器，如一些拓扑分形结构，另一种途径则是通过层层堆叠，在不同尺寸的谐振器之间相隔一层介质层。毫无疑问，上述两种实现途径均能在一定程度上拓宽吸收器的频带，但也大幅增加了工艺难度和加工成本。研究者们开始寻求新的解决方案。色散介质进入了学者们的视野，用色散材料(如掺杂硅、水等)作为吸收器的介质可以使得吸收器在一个宽谱范围内实现阻抗匹配，从而获得很宽的工作频带。然而，在吸收器中使用掺杂硅作为介质会增加吸收器的成本。相比较而言，在吸收结构中加入水，不仅可在很大程度上拓宽吸收器的吸收频带，同时，水在自然界随处可见，还可大大降低成本。目前，基于水的THz吸收器研究开展得比较少，多数研究者都将目光聚焦在了微波波段，且吸收带宽也不尽如人意，不利于实际的应用。因此，有必要在THz波段进一步发展超宽带吸收器，以推动THz技术的发展。

发明内容

本发明设计了一种基于结构化水层的超宽带柔性THz吸收器，具有超宽带吸收、大角度吸收以及偏振不敏感的特性。

本发明采用的技术方案是，设计了一种基于结构化水层的超宽带柔性THz吸收器。该吸收器由四层结构组成，从顶层到底层依次为：第一层为介质层，第二层是结构化的水层，其为一个长方体顶部加一个半球，第三层为与第一层相同的介质层，第四层为金属反射层。所设计的吸收器引入了水这一色散介质，使其特征阻抗在一个极宽的频带内均能与自由空间阻抗良好地匹配，从而实现所述吸收器吸收频带的有效拓宽。同时，所述吸收器的第一层介质层与第二层水层的分界面、第四层金属反射层构成一个法布里-珀罗谐振腔，使进入吸收器的电磁波在吸收器内部多次反射并发生相消干涉，直到被完全吸收。由于水层形状为一个长方体加顶部的半球，在电磁波的入射方向上，水层的厚度并非始终相同的，而是连续变化的，这导致法布里-珀罗腔的腔长也是连续变化的，使得满足法布里-珀罗谐振的电磁波波长并不是唯一的，而是一段连续的电磁波谱，即一段具有特定连续频率的电磁波入射到所发明的吸收器时均能激发法布里-珀罗谐振，从而可极大地拓宽吸收器的吸收频带，故所述吸收器在极宽的频带内均能保持极高的吸收。

其中，所述结构化的水层顶层可以但不局限于半球形或金字塔型。