[發明專利]一種超材料太赫茲振蕩器及其控制方法

有效

• 申請號: 201610557542.8
• 申請日: 2016-07-15
• 公開（公告）號: CN106128917B
• 公開（公告）日: 2018-05-01
• 發明（設計）人: 劉永強;杜朝海;劉濮鯤
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: H01J25/02
• 分類號: H01J25/02
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理事務所(普通合伙)11360
• 代理人: 王巖

技術領域

本發明涉及太赫茲(THz)電磁波源技術領域，具體涉及一種超材料太赫茲振蕩器及其控制方法。

背景技術

超材料(Metamaterials)，即人造結構的材料，又稱為左手材料(Left-hand materials)，是一類自然界中不曾存在的特殊材料。由于其特殊的構造，超材料對電磁波的響應特性往往表現為異于常規的材料，如金屬、介質。自然界中常見材料的介電常數ε和導磁系數μ均是大于零的實數(ε>0，μ>0)，因此其支持的電磁波只能是處于傳播狀態，即雙正煤質。而超材料的介電常數和導磁系數有一項必須為負數，即存在單負的超材料(介電常數為負或導磁系數為負，即ε<0，μ>0或ε>0，μ<0)，其支持的電磁波只能是消逝波；也存在介電常數和導磁系數同時為負的超材料，即雙負的超材料(ε<0，μ<0)，其支持的電磁波同時為傳播波和消逝波。從理論上說，超材料的等效電磁特性(以等效折射系數表征)可以設計為任意頻率上的任意值，也包括目前自然界中不存在的材料(常規材料的ε>0，μ>0)，因此被稱為“超”(意為“meta”或“beyond”)材料。從結構上看，超材料一般包含一系列的周期金屬諧振單元排列在介質中，其尺寸與電磁波的波長之比為幾十分之一或更小，即結構為亞波長量級。最初研究這種復合型的材料要追溯到19世紀90年代末，Pendry等(J.B.Pendry,A.J.Holden,D.J.Robbins and W.J.Stewart,J.Phys.Condens.Matter,10,4785,1998)研究了周期性的導電線陣列的電磁波相應，發現這種構造材料的響應類似于具有很高電荷密度的等離子體，并且其等效的等離子體頻率處在吉赫茲量級。由于這種復合材料的等效介電常數在等離子體頻率以下均為負數，因此也開啟了人們研究異常煤質的序幕。隨后另一種具有負等效導磁系數的結構也被提出(J.B.Pendry,A.J.Holden,D.J.Robbins and W.J.Stewart,IEEE Trans.Micro.Theory Tech.,47,2075,1999)，這種結構是由一系列的分離諧振環(Split-ring resonators,SRRs)組成，對電磁波具有磁響應特性(負介電常數具有等離子體響應特性)。盡管具有負等效介電常數或導磁系數的復合材料被研究，但是超材料這一概念還沒有正式被提出。直到2001年，Walser(R.W.Walser,in Proc.SPIE,4467,1,2001)正式提出了超材料(Metamaterials)這一概念，用以代指一類那些自然界中不存在的且對電磁波的響應具有不同于一般煤質兩個及以上特性的復合材料。之后，第三種超材料結構被提出，即同時具有負介電常數和負導磁系數的電的LC諧振器(LC-resonator,ELC)。實際上，在理論上研究同時具有負介電常數和負導磁系數的煤質的電動特性很早就已存在(V.D.Veselago,Sov.Phys.Uspekhi,10,509,1968),但是直到2000年，這種復合煤質才在實驗上得到了證實(D.R.Smith,W.J.Padilla,D.C.Vier,S.C.Nemat-Nasser and S.Schultz,Phys.Rev.Lett.,84,4148,2000)。目前對超材料結構的研究均是基于這三種基本類型的復合材料或者其變型結構的研究。調節超材料的電的或磁的響應特性，其能夠在給定的頻率下實現雙負折射，這使得在自然界中常見的現象表現異常而引起了研究者極大的興趣，且成為超材料領域研究的核心。除了以上提到的超材料能夠使得已有的一些電磁現象發生逆轉，比如在超材料中會出現反常多普勒(Doppler effect)、反常切倫科夫輻射(Cherenkov radiation)、反斯涅耳定律(Snell’s law)。其他的一些新奇現象如完美棱鏡(當折射率為-1)、打破衍射極限的超棱鏡、電磁黑洞、幻覺器件等等也得益于超材料。