[发明专利]一种基于二氧化钒和法布里-珀罗腔的宽带可调吸收器

说明书

一种基于二氧化钒和法布里‑珀罗腔的宽带可调吸收器。该吸收器由四层结构组成，从底层到顶层依次为：第一层为金属层，第二层为介质层，第三层为二氧化钒谐振结构，第四层为与第二层相同的介质层。第四层介质层与第三层二氧化钒谐振结构形成的法布里‑珀罗腔可有效提升吸收器与自由空间之间的阻抗匹配，并激励出一个新的吸收峰，从而可实现所述吸收器吸收频带的有效拓宽。所述吸收器包含四种谐振模式：偶极子谐振、相邻二氧化钒谐振结构单元之间的耦合、金属层‑介质层‑二氧化钒谐振结构形成的法布里‑珀罗腔谐振，以及顶层介质层和二氧化钒谐振结构形成的法布里‑珀罗腔谐振。通过光控、电控或温控可动态调谐二氧化钒的电导率，从而实现吸收器吸收率的动态调控。

技术领域

本发明属于太赫兹超材料设计技术领域，具体涉及一种基于二氧化钒和法布里-珀罗腔的宽带可调吸收器。

背景技术

太赫兹(THz)波因其具有许多独特的性能，如宽带性、低能性、指纹谱性、非极性物质极强穿透力等，在生物医学、无线通信、安检无损检测等领域具有巨大的应用前景。然而，THz波与传统材料很难发生电磁响应，致使THz器件缺乏，从而限制了THz波的应用。由亚波长结构单元按照一定的排列方式组成的人工复合超材料的出现为THz器件的发展和应用提供了可行性。近年来，许多基于超材料的THz功能器件被提出，如THz滤波器、THz偏振转换器和THz吸收器等。其中，THz吸收器因在隐身、传感、热辐射等方面有着重要的应用而得到研究人员的广泛关注。目前，THz吸收器的研究仍面临许多挑战，如带宽窄、难以实现动态调控等。因此，动态可调THz宽带吸收器成为了一个新的研究热点。

THz吸收器动态调控的主要技术途径是在吸收器结构中加入光学性质可调的材料(如石墨烯、液晶、二氧化钒(VO₂)等)。然而，在吸收器结构中加入石墨烯会极大地增加加工成本，而加入液晶材料又会限制吸收器的应用范围。相比较而言，在吸收器结构中加入VO₂，可使其具有快速响应、大调制深度和多种调制方法等优点。目前，基于VO₂的THz吸收器主要的设计方法为将不同大小的多个谐振器集成到一个单元结构上或者堆叠成具有不同几何尺寸的多层结构，但这些结构存在着难以加工和调控方式固定等缺点。此外，虽然人们还提出了许多基于VO₂的THz吸收器，但这些吸收器的吸收带宽仍然较窄，不利于实际应用。因此，有必要在THz波段进一步发展新型宽带可调吸收器，以推动THz技术的发展。

发明内容

本发明设计了一种基于VO₂和法布里-珀罗腔的宽带可调吸收器，具有宽带吸收、动态可调、大角度吸收和偏振不敏感的特性。

本发明采用的技术方案是，设计了一种基于VO₂和法布里-珀罗腔的宽带可调吸收器。该吸收器由四层结构组成，从底层到顶层依次为：第一层为金属层，第二层为介质层，第三层为VO₂谐振结构，第四层为与第二层相同的介质层。第四层介质层与第三层VO₂谐振结构形成的法布里-珀罗腔可有效提升吸收器与自由空间之间的阻抗匹配，并激励出一个新的吸收峰，从而可实现所述吸收器吸收频带的有效拓宽。所述吸收器包含四种谐振模式：偶极子谐振、相邻VO₂谐振结构单元之间的耦合、金属层-介质层-VO₂谐振结构形成的法布里-珀罗腔谐振，以及顶层介质层和VO₂谐振结构形成的法布里-珀罗腔谐振。

其中，所述VO₂谐振结构单元可以但不限于是正方形或圆形。

其中，所述介质层的材料可以但不限于是二氧化硅(SiO₂)或环烯烃类共聚物(Topas)。

其中，所述VO₂谐振结构的外部激励可为光、温度以及电压。

进一步地，VO₂的介电常数在THz波段根据Drude模型描述为：