[發明專利]一種用于太赫茲波調制的超材料結構

無效

• 申請號: 200910167953.6
• 申請日: 2009-10-21
• 公開（公告）號: CN101694558A
• 公開（公告）日: 2010-04-14
• 發明（設計）人: 張懷武;田東斌;文岐業;李勝
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G02F1/355
• 分類號: G02F1/355
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 李明光

技術領域

本發明屬于超材料技術領域，特別涉及用于太赫茲波調制的超材料結構。

背景技術

太赫茲波通常定義為頻率在0.1~10THz范圍內的的相干電磁輻射。太赫茲 對應的英文是teraherta，縮寫THz，1THz＝10¹²Hz(赫茲)，振蕩周期為1ps (皮秒)，波長30μm(微米)，光子的能量是4.1meV(毫電子伏)。目前研究 較多的太赫茲波的通常在0.3~3THz范圍內，其波段位于微波和紅外線之間， 屬于遠紅外線和亞毫米波范疇，有時也稱為T射線，其顯著的特點為：1.瞬 態性：太赫茲波的典型脈寬在皮秒量級，不但可以方便地對各種材料(包括液 體、半導體、超導體、生物樣品等)進行時間分辨的研究，而且通過取樣測量 技術，能夠有效的抑制背景輻射噪聲的干擾，信噪比高，穩定性好。2.寬帶性： 太赫茲波源通常只包含若干個周期的電磁振蕩脈沖，單個脈沖的頻寬可以覆蓋 從GHz至幾十太赫茲的范圍，便于在大的范圍里分析物質的光譜性質。3.相干 性：源于其產生機制，是由相干電流驅動的偶機子振蕩產生，或是由相干的激 光脈沖通過非線性光學效應(差頻)產生，太赫茲相干測量技術能夠直接測量 出電場的振幅和相位，可以方便的提取樣品的折射率、吸收系數。4.低能性： 太赫茲波的光子的能量只有幾個毫電子伏，與X射線相比，不會因為高能電子 流而破壞被檢測的物質，可以用作無損檢測。5.太赫茲輻射對于很多非極性物 質，如電解質材料與塑料、紙箱、布料等包裝材料有很強的穿透力，可以用來 質檢或安檢。6.大多數極性分子如水分子、氨分子等對太赫茲輻射有極強的吸 收，可以通過分析它們的特征譜來研究物質成分或者進行產品質量控制；同時 許多極性分子的振動能級和轉動能級正好處于太赫茲波段，使太赫茲光譜技術 在分析和研究大分子方面有廣闊的應用前景。

太赫茲波技術的研究主要包括輻射源、傳輸和探測器三個方面，太赫茲波 技術的實際應用在很大程度上需要在上述方面的都取得突破。太赫茲波的傳輸 過程中，為了達到使用目的，需要調制器對太赫茲波進行調制，控制太赫茲波 的振幅和相位。調制器的主要部件是人工合成的超材料，利用超材料的材料結 構特性可以實現其調制目的。現有的調制器主要包括以下兩種類型：1.低溫 半導體量子阱調制器：低溫半導體量子阱調制器是利用電子的帶間躍遷而實現 對太赫茲波相位的調制。該調制器的超材料采用寬量子阱材料(如 AIGaAs/GaAs)，該材料是通過在其表面制作金屬光柵，利用金屬和半導體異質 結之間為肖特基接觸，形成肖特基光柵，在太赫茲波照射下形成一個調制載流 子參雜濃度的量子阱結構，這種材料結構具有拋物型的導帶，利用電壓控制載 流子的濃度實現相位的調制，但該裝置只能在150K的低溫下進行，給實驗的 操作帶來很多的困難。2.固態超材料相位調制器：固態超材料相位調制器是 在室溫下使用的固態相位和振幅調制器，實驗結果顯示出寬帶調制的性能。該 調制器的超材料是在n型參雜的GaAs襯底上制作金屬扣環諧振腔，將金屬扣 環諧振器用導線連接起來，構成一個周期性扣環諧振陣列，金屬扣環與半導體 直接形成肖特基結構，利用外電壓控制耗盡層中的載流子濃度，控制載流子的 諧振，以達到調制振幅和相位的效果，振幅和相位調制隨外加電壓變化，克服 了以往機械調制器和開關的缺點。但扣環本身的諧振吸收非常明顯，仍然不能 滿足太赫茲寬帶的調制。上述方法由于調制器所采用的超材料的材料結構特性 的限制，導致調制范圍小，使用環境要求高，不利于太赫茲波技術的推廣應用。

發明內容

本發明的目的是為了拓寬調制器對太赫茲波的調制范圍，提供了一種用于 太赫茲波調制的超材料結構。

本發明所采用的技術方案是：一種用于太赫茲波調制的超材料結構，包括： 中心介質層，由對太赫茲波透明的聚乙烯材料構成，中心介質層的厚度小于入 射的太赫茲波的十分之一波長；上表面光柵層，采用金屬材料，由位于中心介 質層上表面的一系列呈周期性分布的平行柵格構成，每個柵格與兩邊的柵格空 隙構成一個周期，每條柵格的厚度均小于寬度；下表面光柵層，采用金屬材料， 由位于中心介質層下表面的一系列呈周期性分布的平行柵格構成，每個柵格與 兩邊的柵格空隙構成一個周期，每條柵格的厚度均小于寬度；所述上、下表面 光柵層的柵格呈鏡像對稱分布。

上述上、下表面光柵層的金屬材料為銅，每條柵格的厚度均小于或等于寬 度的四分之一。