[發(fā)明專利]一種太赫茲金屬超材料的驗證裝置

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710698050.5
• 申請日: 2017-08-15
• 公開（公告）號: CN107290805A
• 公開（公告）日: 2017-10-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉建軍;洪治
• 申請（專利權(quán)）人: 中國計量大學(xué)
• 主分類號: G02B1/00
• 分類號: G02B1/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司33200
• 代理人: 陳昱彤

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種對太赫茲金屬超材料的設(shè)計進(jìn)行驗證的驗證裝置，屬于太赫茲金屬超材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

太赫茲金屬超材料是一種人工設(shè)計制作的由亞波長周期性金屬諧振結(jié)構(gòu)組成的功能材料。由于其具備負(fù)折射率等自然材料所不具有的特性，成為解決太赫茲波段缺乏自然材料的主要途徑，因而獲得了研究者的廣泛關(guān)注。然而大量的研究工作主要集中于太赫茲金屬超材料的理論計算和仿真設(shè)計，僅有極少數(shù)的超材料得到加工和實驗驗證。這主要是受到目前金屬微結(jié)構(gòu)加工設(shè)備昂貴、加工工藝復(fù)雜、耗時的制約。即使像激光直寫等工藝，雖然在原有光刻工藝基礎(chǔ)上進(jìn)行了簡化，但是其加工成本依然超出一般研究者的承受能力。因此提出一種方便可靠的太赫茲金屬超材料的驗證裝置對于太赫茲金屬超材料的研究具有巨大的推動作用。

在金屬超材料中應(yīng)用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)，最早出現(xiàn)于對頻率可調(diào)濾波器的研究中。研究者將金屬超材料中諧振結(jié)構(gòu)的局部同半導(dǎo)體材料相連接。當(dāng)沒有光照射到半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上時，半導(dǎo)體是絕緣的，諧振結(jié)構(gòu)僅僅體現(xiàn)金屬部分的功能。當(dāng)有光照射到半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上時，光電效應(yīng)產(chǎn)生的光生載流子使半導(dǎo)體表現(xiàn)為導(dǎo)體，同金屬結(jié)構(gòu)結(jié)合，組成新的諧振結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生新的效應(yīng)或者頻率的偏移。半導(dǎo)體的光電效應(yīng)在超材料中的應(yīng)用，已經(jīng)擴(kuò)展到可調(diào)頻反射鏡、高頻調(diào)制器等領(lǐng)域，但是尚未出現(xiàn)完全使用半導(dǎo)體光電效應(yīng)構(gòu)建超材料的報道。

空間光調(diào)制器是指在主動控制下，通過其內(nèi)部二維分布的微執(zhí)行單元，調(diào)制光場的振幅、相位、偏振等參量，從而將一定的信息加載到光波的調(diào)制器。普通投影儀的圖像模塊就是一種調(diào)制振幅的空間光調(diào)制器。目前應(yīng)用最為廣泛的空間光調(diào)制器為液晶陣列（LCD）和數(shù)字微反射鏡陣列（DMD），前者可以調(diào)整光場的振幅、相位和偏振，后者僅能調(diào)整光的有無，但是具有更高的對比度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種太赫茲金屬超材料的驗證裝置，用以解決太赫茲金屬超材料加工成本高昂而使太赫茲金屬超材料停留在理論計算和仿真設(shè)計上的問題，降低太赫茲金屬超材料的實驗驗證成本。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)手段是：

本發(fā)明太赫茲金屬超材料的驗證裝置包括光源、空間光調(diào)制器、成像透鏡、合束器、半導(dǎo)體平板、計算機(jī)和太赫茲光譜儀，所述光源輻射的光子能量大于所述半導(dǎo)體平板的材料的禁帶寬度，空間光調(diào)制器與計算機(jī)連接以使太赫茲金屬超材料的周期性諧振結(jié)構(gòu)圖形能夠由計算機(jī)輸出到空間光調(diào)制器；光源發(fā)出的光束進(jìn)入空間光調(diào)制器中后，空間光調(diào)制器能夠?qū)⒅芷谛灾C振結(jié)構(gòu)圖形加載到光束中；加載了周期性諧振結(jié)構(gòu)圖形的光束先后經(jīng)由成像透鏡、合束器透射到半導(dǎo)體平板上后能夠激發(fā)半導(dǎo)體平板的半導(dǎo)體產(chǎn)生光生載流子，并使光生載流子在半導(dǎo)體平板上構(gòu)建形成與太赫茲金屬超材料相同的周期性諧振結(jié)構(gòu)；太赫茲光譜儀發(fā)射的太赫茲波束能夠被合束器反射后照射到半導(dǎo)體平板上的周期性諧振結(jié)構(gòu)圖區(qū)域內(nèi)，并穿過半導(dǎo)體平板出射而進(jìn)入太赫茲光譜儀。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

（1）本發(fā)明的太赫茲金屬超材料的驗證裝置由于使用光子能量大于半導(dǎo)體平板的材料的禁帶寬度的光源，光源發(fā)出的光束進(jìn)入空間光調(diào)制器中后，能夠加載由計算機(jī)輸入的太赫茲超材料的周期性諧振結(jié)構(gòu)圖形，加載了周期性諧振結(jié)構(gòu)圖形的光束經(jīng)由成像透鏡照射半導(dǎo)體平板時，能夠激發(fā)半導(dǎo)體發(fā)生光電效應(yīng)而產(chǎn)生能夠?qū)щ姷墓馍d流子，并使光生載流子在半導(dǎo)體平板上構(gòu)建形成與太赫茲金屬超材料相同的周期性諧振結(jié)構(gòu)。這些導(dǎo)電的光生載流子和太赫茲波之間的相互作用與金屬和太赫茲波之間的相互作用機(jī)理相同，因而可以取代金屬構(gòu)建與太赫茲金屬超材料相同的周期性諧振結(jié)構(gòu)進(jìn)行實驗驗證。

（2）本發(fā)明太赫茲金屬超材料的驗證裝置，可以極大地降低太赫茲金屬超材料的實驗驗證成本。加載了周期性諧振結(jié)構(gòu)圖形的光束經(jīng)由成像透鏡照射半導(dǎo)體平板時，能夠激發(fā)半導(dǎo)體發(fā)生光電效應(yīng)而產(chǎn)生能夠?qū)щ姷墓馍d流子，并使光生載流子在半導(dǎo)體平板上構(gòu)建形成與太赫茲金屬超材料相同的周期性諧振結(jié)構(gòu)。由于使用光生載流子圖形替代了傳統(tǒng)金屬超材料中起導(dǎo)電作用的金屬圖形，省去了傳統(tǒng)的金屬微加工過程中昂貴的設(shè)備成本和復(fù)雜的工藝流程，極大地降低了設(shè)備成本。同時，由于光生載流子在半導(dǎo)體平板上構(gòu)建形成與太赫茲金屬超材料相同的周期性諧振結(jié)構(gòu)的時間僅為毫秒級，直接省去了冗長耗時的傳統(tǒng)的金屬微加工過程，從而可以實現(xiàn)在實驗過程中實時更換不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的太赫茲金屬超材料進(jìn)行驗證。