[發明專利]可用于實現太赫茲特異介質的電磁諧振單元結構及方法

有效

• 申請號: 201210316834.4
• 申請日: 2012-08-30
• 公開（公告）號: CN102820512A
• 公開（公告）日: 2012-12-12
• 發明（設計）人: 孫曉瑋;郭萬易;賀連星;李彪;孫浩
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: H01P7/00
• 分類號: H01P7/00;H01P7/08;H01P11/00
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司 31002
• 代理人: 潘振甦

技術領域

本發明涉及可用于實現太赫茲波段的特異介質的三種電磁諧振單元的亞波長結構及方法，屬于太赫茲特異介質領域。?

背景技術

按照國際通行定義：特異介質的特殊性就在于——它的性質不是由它的化學組成而決定，而是由它的亞波長結構決定（Metamaterials?are?materials?which?owe?their?properties?to?sub-wavelength?details?of?structure?rather?than?to?their?chemical?composition。）所述的亞波長結構通常是周期排列的諧振結構。特異介質有三個重要特征：具有新奇的人工結構；具有超常的物理性質（負介電常數、負磁導率、負折射率等）；其性質決定于其中的人工結構而與材料的本征性質無關。?

因此，特異介質是一種特殊的人造結構，并不存在于自然界中。也正因為特異介質的特殊性，它表現出很多不同于通常介質的特殊性能。通常介質的介電常數ε和磁導率μ都大于等于1，但是特異介質的介電常數ε和磁導率μ卻能夠小于1甚至小于0。按照ε和μ所在區間，能進一步把特異介質分為隱形介質（ε或μ小于1）和手性介質（ε或μ小于0）。?

通過在材料的關鍵尺度上的結構有序設計，可以突破某些表觀自然規律的限制，從而獲得超出自然界固有的普通性質的超常材料功能。由于介電常數和磁導率可以為負值，特異介質具有很多反常的奇特性能，如負折射率效應、逆Doppler效應、逆Cerenkov效應，可用于制作超級透鏡、隱身衣、天線罩以及各種微波毫米波功能器件。?

早在1968年，俄羅斯科學家Veselago就提出了負介電常數和負磁導率的假想，并從理論上論證了特異介質的存在。然而，由于缺乏存在天然的特異介質，Veselago的工作在當時并沒有引起人們的重視。直到1996年，Pendry等人提出利用金屬線周期結構獲得負介電常數材料的構想。該結構的等效介?電特征類似于等離子體，其等效等離子體頻率在GHz范圍內，在低于等離子體頻率時，金屬線陣列的等效介電常數為負值。1999年，英國物理學家Pendry等人又提出利用開口諧振環陣列（SRRs）可以實現負的磁導率。2000年，Smith等人在微波頻段制作出開口諧振環和金屬線復合結構構成左手材料（介電常數和磁導率都為負值）。?

近年來，在微波毫米波頻段，各種特異介質的設計層出不窮。而長期以來，在太赫茲波段，天然材料表現出較弱的電磁響應，一些功能器件（如濾波器、調制器、移相器和智能開關等）的設計遇到了很大的困難，相對于各種有源和無源器件發展較好的微波毫米波而言，太赫茲領域的技術相對落后。由于特異介質的特殊性能，近年來關于太赫茲特異介質的實現和應用開始引起人們的注意。2004年Science雜志上報道了T.J.Yen等人首次實現了由兩個開口諧振環周期性排列組成的太赫茲波段的特異介質。?

在現有技術的基礎上，本發明擬提出可實現太赫茲特異介質的三種電磁諧振單元結構及方法，所述的三種單頻點特異介質（SR1、SR2、SR3）。具有結構簡單、制作成本低、頻帶寬的優點。可用于實現太赫茲波段各種功能器件（濾波器、移相器、調制器、智能開關等）的設計。?

發明內容

本發明的目的在于提出可用于實現太赫茲特異介質的三種電磁諧振單元結構及方法。?

本發明所述的可用于實現太赫茲特異介質的三種電磁諧振單元結構如圖1所示，第一種單元結構SR1由一個“工”字形封閉的金屬環組成，位于兩側的長方形結構表現出電感特性，連接兩側長方形結構的平行金屬可表現出電容特性；第二種單元結構SR2是在兩個嵌套的閉合金屬環之間加兩個“T”形金屬條組成，兩個閉合金屬環可表現出電感特性，“T”形金屬條的一端和內部閉合金屬環的一邊可表現出電容特性；第三種單元結構SR3將兩個開口金屬環用金屬條相連，內環與相鄰單元的外環相連，開口環的裂口處可表現為電容特性，其他部分可表現為電感特性，內環與相鄰單元的外環連接可增強電磁相互作用。在和太赫茲波發生相互作用的時候，在特征金屬單元結構上感應出電流，等效的電感、電容發生LC諧振。當諧振單元結構的特征尺寸?和工作波長相當或更小時，通過適當的結構設計，可以使諧振單元和電磁波發生強烈的相互作用。通過改變電磁諧振單元尺寸的大小可以改變發生諧振的頻點以及諧振類型（電諧振和磁諧振）。三個電磁諧振單元尺寸在60μm~120μm之間，經周期性排列后得到的樣品尺寸為2mm×2mm。當太赫茲電磁波垂直入射時，三種單元結構表現出負的介電常數或負的磁導率，從而得到三種可用于太赫茲波段的特異介質。?