[发明专利]一种基于四分之一圆柱结构的全介质可调谐电磁感应透明超材料

说明书

本发明公开了一种基于四分之一圆柱结构的全介质可调谐电磁感应透明超材料。利用不同模块微结构间的耦合效应，设计了一种超材料实现近红外波段电磁感应透明现象。所设计的超材料分为上下两层，下层为介质基底，上层的单元结构为四个四分之一圆柱，周期排列在介质基底上。本发明可以通过设计四分之一圆柱和介质基底的尺寸参数及材料使四分之一圆柱之间发生耦合，从而在近红外波段实现高品质因素、高透射率的电磁感应透明效应。电磁感应透明效应对于慢光器件、非线性器件、光学存储器件以及高灵敏度传感器具有重大意义。

技术领域

本发明属于电磁调控领域，涉及一种基于四分之一圆柱结构的全介质可调谐电磁感应透明超材料，可以实现对近红外波段的电磁波进行高效、高性能及灵活的调控。

背景技术

超材料是指具有特殊超常物理性质的人造材料。由于超材料的性质并不取决于构成它的的本征材料，而是由其单元结构的形状和尺寸所决定的，因此通过巧妙的设计可以使超材料表现出本征材料所不具备的特性，例如负折射率、负介电常数等等，而具有这些性质的材料在自然界中不存在的，这大大拓展了电磁学，材料学，光学等领域的研究范围和应用空间。近年来随着微纳加工技术的成熟，出现了应用于近红外波段的超材料，但是对基于超材料的近红外波段电磁诱导透明器件的相关研究相对较少，并且此类器件的尺寸及调控能力也需要进行改进。

电磁感应透明（EIT）作为一种由量子干涉产生的现象，近年来一直是电磁领域的研究热点。其产生机理可以解释为在外部电磁场的激励下，三能级原子系统中发生了相消干涉，使电磁波能透过原本并不透明的介质。由于EIT现象在产生过程中会伴随强烈的色散并产生狭窄的透射峰，这使其在慢光效应、光学存储、非线性效应以及高灵敏度传感器等方面具有广阔的应用空间。

二氧化钒作为一种典型相变材料在电磁材料领域引起了广泛关注。在温度改变的情况下，二氧化钒的电导率会发生改变，从而完成绝缘态到金属态的转换。

近年来，科学家们经常使用金属等离子体超材料研究电磁感应透明现象，但是由于金属所固有的欧姆损耗会带来较大的非辐射损耗，所产生的EIT透射窗的品质因素和透射率往往不理想。后来发现使用高折射率、低损耗的全介质超材料实现电磁感应透明现象能够克服金属所带来的非辐射损耗，从而实现高品质因素和高透过的电磁感应透明窗。此外，通过引入二氧化钒等相变材料可以实现对器件的灵活调控。

发明内容

基于上述技术问题，本发明利用不同谐振器之间的耦合作用设计一种基于四分之一圆柱结构的全介质可调谐电磁感应透明超材料。通过改变该结构的尺寸和材料，可以对近红外波段的电磁波进行高效、高性能及灵活的调控。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：本发明提供一种基于四分之一圆柱结构的全介质可调谐电磁感应透明超材料，所设计的超结构分上下两层。下层为介质基底，上层的单元结构为四个四分之一圆柱，周期排列在介质基底上。本发明可以通过设计四分之一圆柱和介质基底的尺寸参数及材料使四分之一圆柱之间发生耦合，从而在近红外波段实现高品质因素、高透射率的电磁感应透明效应。在上述结构的基础上，通过改变四分之一圆柱和介质基底的尺寸参数及材料，可以实现对电磁感应透明光谱的调控。

优选地，所述基底的材料为石英玻璃或蓝宝石，或者用其他介电常数相近的材料代替。

优选地，所述基底的厚度为150-350nm。

优选地，所述上层的四个四分之一圆柱的材料为硅或者硅和二氧化钒的混用。

优选地，当上层的四个四分之一圆柱中材料为硅和二氧化钒混用，通过调节二氧化钒的电导率可以实现对电磁感应透明窗的调控。优选二氧化钒电导率的调节范围为30S/m-3000S/m。

优选地，所述上层的四个四分之一圆柱的半径为150nm-500nm。