[发明专利]一种频带宽/窄可调的太赫兹吸收器

说明书

本发明涉及一种频带宽/窄可调的太赫兹吸收器，属于太赫兹波技术领域。本发明从下至上依次由金属衬底层、下光学介质层、石墨烯层、上光学介质层构成，从而实现高吸收率和频带宽/窄可调控的功能；所述金属衬底层为光栅结构，下光学介质层以填充的方式平铺于金属介质层之上，石墨烯层平铺于下介质层之上，上光学介质层平铺于石墨烯层之上。本发明提供了一种偏振不敏感、结构简单、高吸收率的频带宽/窄可调的太赫兹吸收器，可应用于探测、传感和滤波等领域。

技术领域

本发明涉及一种频带宽/窄可调的太赫兹吸收器，属于太赫兹波技术领域。

背景技术

太赫兹波是频率为0.1至10THz范围内的电磁波，有高透性、低能性、高分辨率、宽带性等特点。太赫兹波位于电磁波频谱中的特殊位置，具有一些不同于其他波段的特性，在天文、光谱学、安全通信和生物医学成像等方向有很好的发展前景。实现太赫兹波的广泛应用，需要研制太赫兹相关功能器件，如滤波器、吸收器、调制器等，尤其是太赫兹波的吸收器，在传感、成像、电磁隐身、探测等领域具有重要的应用价值。

由于太赫兹波段的特殊性，大多数的天然材料只能与太赫兹波呈现出微弱的电磁响应，这使得太赫兹功能器件的研究发展缓慢，直到超材料的出现给这一问题的解决带来新的思路。超材料是一种人工复合结构，具有构成其结构的材料所不具备的独特电磁特性。其超常的性质主要来自于关键物理尺度参数的设定，通过设计可对特定电磁场产生响应。通过调整超材料结构的几何参数，几乎可以实现任意等效介电常数和等效磁导率，从而实现对电磁波的调控。自从2008年第一个基于超材料的完美吸收器被报道以来，人们开始用超材料实现各个波段范围的完美吸收器。早期报道的超材料吸收器大多由具有亚波长结构的金属结构-介质-金属三层结构组成，一旦器件制备完成，其功能单一且固定。随着系统集成化和小型化的发展，人们期望在一个器件上实现更多的、可调的功能。为此，人们在吸收器结构中加入了一些功能材料，如二维材料、相变材料和光敏材料等。石墨烯是由单层碳原子构成的二维蜂窝状结构，其导带与价带在狄拉克点相遇，是一种零带隙的半导体。可通过外接电压或者化学掺杂的方式改变石墨烯的载流子浓度，进一步改变其电导率，进而改变石墨烯的介电常数，影响其光学性质。基于以上特性，石墨烯材料成为动态可调控器件的绝佳选择之一。

尽管近些年关于石墨烯超材料吸收器的研究取得了很好的进展，但文献中报道的吸收器大多只具有宽带吸收或窄带吸收特性。少量具有宽/窄带可调特性的吸收器结构也较为复杂。吸收器作为不少传感器、探测器的基础结构，应设计的比较简单，方便与其他器件和材料集成，以实现不同的功能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种频带宽/窄可调的太赫兹吸收器，从而解决传统太赫兹吸收器结构复杂、吸收率低、可调谐性差的技术问题。

本发明的技术方案是：一种频带宽/窄可调的太赫兹吸收器，所述吸收器从下至上依次由金属衬底层、下光学介质层、石墨烯层、上光学介质层构成。从而实现高吸收率和频带宽/窄可调控的功能。

所述金属衬底层为光栅结构，下光学介质层以填充的方式平铺于金属介质层之上，石墨烯层平铺于下介质层之上，上光学介质层平铺于石墨烯层之上。

当入射电磁波以TM或TE模式入射到吸收器上时，石墨烯层在特定的频点分别与光栅脊、光栅底形成一个共振腔，产生电磁共振，引起光吸收增强。并且在特定的频点，入射电磁波分别与石墨烯层、光栅脊、光栅底相互耦合激发出表面等离子激元，将磁场分别局域在石墨烯层、光栅脊、光栅底的表面上，从而引起光吸收的增强。

通过以上的吸收原理，本发明实现了宽带吸收。通过调节石墨烯层上的外加电压，可改变吸收器在特定频点的磁共振的强度和表面等离子激元的激发，从而实现吸收器的宽/窄带动态主动可调。

所述吸收器能够主动调谐太赫兹波段。

所述调谐太赫兹波段的方式为向所述吸收器的石墨烯层上施加电压来改变石墨烯的费米能级，从而改变石墨烯层的光学性质，进而实现太赫兹吸收器的吸收波段及吸收带宽的调谐。