基于温控与电控协同的多极化非互易超材料相干吸波体

1.本发明属于超材料电磁波调控技术领域，涉及一种超材料相干吸波体，具体涉及一种基于温控与电控协同的多极化非互易超材料相干吸波体，可用于多极化吸波器件等领域。
技术背景
2.吸波体是一种吸收电磁波而不反射的材料。相干吸波体是一种通过控制波与信号波的相互作用，实现电磁波相干相消的器件。超材料相干吸波体结合了超材料与相干吸收机理进行亚波长结构设计，当电磁波直接入射在超材料吸波体正面时，有一部分被反射回入射方向。与此同时，由背面入射的电磁波有一部分透射到正面方向。这两部分电磁波同时满足传播方向相同、频率相同、幅值相同，且相位差π，此时将发生实现相干完美吸收。
3.按照极化方式，相干吸波可以分为同极化相干吸波和交叉极化相干吸波，同极化相干吸波属于互易性相干吸波，即电磁波在正向和反向传播的电磁响应相同，而对于交叉极化相干吸波属于非互易性相干吸波，即电磁波在正向和反向传播的电磁响应不同。现有的超材料相干吸波体仅能实现两种同极化相干吸波特性,例如：申请公布号为cn114267959a，名称为“一种基于多层超材料的偏振控制相干完美吸收器”的专利申请，公开了一种基于多层超材料的偏振控制相干完美吸收器，其由两层金属非对称开口裂环以及在两层非对称开口裂环之间的介质层组成，其两层金属非对称开口裂环由一个倒v型金属线以及一个u型金属线组成，两层金属非对称开口裂环结构相同且沿介质层对称设置，该发明通过调节控制光与信号光的偏振方向和相位，实现了信号光与控制光同为x极化波时，在频率158thz处吸波率最高为99.1％，实现了信号光与控制光同为y极化波时，在频率405thz处吸波率最高为98.5％。但其存在的缺陷在于仅能实现两种同极化相干吸波特性，无法对交叉极化波实现非互易相干完美吸波，导致其功能单一，实用性较差。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提出了基于温控与电控协同的多极化非互易超材料相干吸波体，在保证较高吸波率的同时，拓宽其应用范围。
5.为实现上述目的，本发明采取的技术方案，包括沿三维坐标系oxy平面内x和y方向周期性排布的多个吸波体单元；其特征在于，所述吸波体单元包括自上而下的依次排布的第一金属层1、第一石墨烯光栅2、带有c型缝隙的第二金属层3、第二石墨烯光栅4和第三金属层5；所述第一金属层1、第三金属层5上分别蚀刻有由三个f型缝隙拼接而成的第一准#字形缝隙6、第二准#字形缝隙7，其中第一f型缝隙与第二f型缝隙关于x轴和y轴的角分线镜像对称，第一准#字形缝隙6、第二准#字形缝隙7中的第一f型缝隙与第三f型缝隙分别关于x轴、y轴镜像对称；所述第一准#字形缝隙6、第二准#字形缝隙7中的部分位置填充有相变材料，分别与第一金属层1、第三金属层5形成复合结构,且两个复合结构的结构相同；所述c型缝隙31的开口方向与y轴的夹角β；
6.通过对相变材料温度的控制实现对其金属-绝缘态的转换，同时通过对石墨烯光栅偏置电压的控制实现对其费米能级的调整，在一个频带分别实现x极化与x极化的同极化互易相干吸波、x极化与y极化的交叉极化非互易相干吸波；在另一个频带分别实现y极化与y极化的同极化互易相干吸波、y极化与x极化的交叉极化非互易相干吸波。
7.上述基于温控与电控协同的多极化非互易超材料相干吸波体，所述第一金属层1印制在方形第一介质板8的上表面；所述第一石墨烯光栅2印制在方形第二介质板9的上表面；所述带有c型缝隙的第二金属层3、第二石墨烯光栅4分别印制在方形第三介质板10的上表面、下表面；所述第三金属层5印制在方形第四介质板11的下表面。
8.上述基于温控与电控协同的多极化非互易超材料相干吸波体，所述第一f型缝隙、第二f型缝隙和第三f型缝隙结构相同。
9.上述基于温控与电控协同的多极化非互易超材料相干吸波体，所述相变材料，采用vo2、ws2或bp。
10.上述基于温控与电控协同的多极化非互易超材料相干吸波体，所述第二石墨烯光栅4，其结构与第一石墨烯光栅2相同，且该两个石墨烯光栅的条带与x轴的夹角α＝45
°±
10
°
。
11.上述基于温控与电控协同的多极化非互易超材料相干吸波体，其特征在于：所述第一石墨烯光栅2和第二石墨烯光栅4，其石墨烯光栅条带与光栅缝隙的宽度相等。
12.上述基于温控与电控协同的多极化非互易超材料相干吸波体，所述第一石墨烯光栅2和第二石墨烯光栅4，其外加偏置电压vg与费米能级μc的关系为：
[0013][0014]
其中，表示约化普朗克常数，vf表示费米速度，ε0表示真空的介电常数，εr表示介质板的介电常数，e表示电子电荷,d1表示第一介质板或第四介质板的厚度，d2表示第二介质板或第三介质板的厚度。
[0015]
上述基于温控与电控协同的多极化非互易超材料相干吸波体，所述c型缝隙31，其开口方向与y轴的夹β＝45
°±
10
°
。
[0016]
上述基于温控与电控协同的多极化非互易超材料相干吸波体，所述第一金属层1、第二金属层3和第三金属层5，采用au、ag或ti。
[0017]
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
[0018]
本发明的吸波体单元包含有两个石墨烯光栅，且第一和第三金属层分别蚀刻的两个准#字形缝隙中的部分位置填充有相变材料，分别与第一、第三金属层形成结构相同的复合结构，通过对相变材料温度的控制实现对其金属-绝缘态的转换，同时通过对石墨烯光栅偏置电压的控制实现对其费米能级的调整，分别实现两个同极化的互易相干吸波和两个交叉极化的非互易相干吸波，避免了现有技术仅能实现两个同极化互易相干吸波导致的功能单一的缺陷，有效拓宽了应用范围。
附图说明
[0019]
图1为本发明吸波体单元的结构示意图；
[0020]
图2为本发明第一金属层的结构示意图；
[0021]
图3为本发明第三金属层的结构示意图；
[0022]
图4为本发明石墨烯光栅的结构示意图；
[0023]
图5为本发明第二金属层的结构示意图；
[0024]
图6为本发明石墨烯费米能级μc＝1ev，vo2为金属态时，x极化控制波与x极化信号波入射到超材料吸波体上发生相干吸波时的吸波率结果图；
[0025]
图7为本发明石墨烯费米能级μc＝0.7ev，vo2为绝缘态时，x极化控制波与y极化信号波入射到超材料吸波体上发生相干吸波时的吸波率结果图；
[0026]
图8为本发明石墨烯费米能级μc＝0.2ev，vo2为绝缘态时，y极化控制波与x极化信号波入射到超材料吸波体上发生相干吸波时的吸波率结果图；
[0027]
图9为本发明石墨烯费米能级μc＝0.1ev，vo2为金属态时，y极化控制波与y极化信号波入射到超材料吸波体上发生相干吸波时的吸波率结果图。
具体实施方式
[0028]
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述：
[0029]
参照图1，本发明包括沿三维坐标系oxy平面内x和y方向周期性排布的多个吸波体单元；吸波体单元包括自上而下的依次排布的第一金属层1、第一石墨烯光栅2、带有c型缝隙的第二金属层3、第二石墨烯光栅4和第三金属层5，第一金属层1印制在方形第一介质板8的上表面，第一石墨烯光栅2印制在方形第二介质板9的上表面，带有c型缝隙的第二金属层3、第二石墨烯光栅4分别印制在方形第三介质板10的上表面、下表面，第三金属层5印制在方形第四介质板11的下表面。介质板依次层叠放置，其中，方形第一介质板8和方形第四介质板11的厚度d1＝6.5um，方形第二介质板9和方形第三介质板10的厚度d2＝5um。介质板材料为聚酰亚胺，介电常数为2+0.025i，i为虚数单位。金属采用au，该金属在太赫兹波段较高的导电率和较高的机械强度。
[0030]
参照图2、图3，第一金属层1、第三金属层5上分别蚀刻有由三个f型缝隙拼接而成的第一准#字形缝隙6、第二准#字形缝隙7，缝隙的宽度t＝2um，其中第一f型缝隙与第二f型缝隙关于x轴和y轴的角分线镜像对称，第一准#字形缝隙6、第二准#字形缝隙7中的第一f型缝隙与第三f型缝隙分别关于x轴、y轴镜像对称，此时，第一准#字形缝隙6的开口方向朝向x轴的负方向，第二准#字形缝隙7的开口方向朝向y轴的负方向，第一准#字形缝隙6与第二准#字形缝隙7的开口方向结构相互垂直，入射电磁波透射缝隙时电场方向旋转90
°
。第一f型缝隙、第二f型缝隙和第三f型缝隙结构相同，相同的缝隙结构对入射电磁波的响应相同。金属层为正方形，边长为p＝40um与超材料吸波体单元的周期相等，第一准#字形缝隙6或第二准#字形缝隙7的开口方向缝隙之间的距离k＝4um。
[0031]
第一准#字形缝隙6、第二准#字形缝隙7中的部分位置填充有相变材料，分别与第一金属层1、第三金属层5形成复合结构,且两个复合结构的结构相同。第一准#字形缝隙6中第三f型缝隙内和顶部延申部分填充有相变材料，其中，第二f型缝隙与第一f型缝隙拼接而成长度l1＝35um。第二准#字形缝隙7中第三f型缝隙内和第二f型缝隙长度及延申部分填充有相变材料，其中，相变材料在第二f型缝隙内的宽度d2＝1.25um，相变材料在第二f型缝隙延伸部分的宽度d1＝0.5um。相变材料采用vo2，其温度低于在相变温度tc≈340k时，处于绝缘态，其温度高于相变温度时，处于金属态。绝缘态时，电导率小于200s/m，金属态时，电导
率在105s/m以上。因此vo2可以工作在金属和绝缘状态下，通过控制温度变化从而控制vo2的电导率变化。
[0032]
参照图4，第一石墨烯光栅2和第二石墨烯光栅4结构相同，且该两个石墨烯光栅的条带与x轴的夹角α＝45
°
，旋转的石墨烯光栅对入射电磁波极化具有偏转作用，其石墨烯光栅条带与光栅缝隙的宽度相等，入射波与光栅结构的相互作用程度最大，从而产生更强极化控制，石墨烯光栅条带与光栅缝隙的宽度t＝2um，石墨烯光栅通过外加偏置电压vg及接地控制费米能级μc。石墨烯光栅表面的电导率包括带内电导率和带间电导率。一般情况下，石墨烯光栅的带间电导率可以忽略不计，其外加偏置电压vg与费米能级μc的关系为：
[0033][0034]
其中，表示约化普朗克常数，vf＝1.1*106m/s表示费米速度，ε0表示真空的介电常数，εr表示介质板的介电常数，e表示电子电荷,d1表示第一介质板或第四介质板的厚度，d2表示第二介质板或第三介质板的厚度。
[0035]
石墨烯光栅在温度300k，弛豫时间τ为0.1ps时，其电导率σ与费米能级μc的关系为：
[0036][0037]
其中，ω表示电磁波角频率。可以通过改变费米能级来调节石墨烯光栅的电导率，从而影响电磁波入射到不同电导率表面的电磁响应，调节相干吸波的吸波效率。
[0038]
参照图5，为带有c型缝隙的第二金属层3，其c型缝隙31的开口方向与y轴的夹角为β＝45
°
，可以对传输电磁波进行45
°
的极化转化，其中，c型缝隙的边长l2＝27um。
[0039]
当不同线极化的电磁波从两个方向相对入射到超材料吸波体上时，正方向的反射波与反方向的透射波尽管满足传播方向相同、频率相同、幅值相同、相位差π的相干相消条件，但是由于极化方向不同，无法发生相干相消，也就难以达成完美吸波的效果。所以要进行双极化相干完美吸波就要对透射和反射的两种极化波同时相消。
[0040]
对于同极化相干完美吸波，其吸波效率可以表示为:
[0041]ai
＝1-[|r
xx
|2+|t
xx
|2+2|r
xx
|
·
|t
xx
|
·
cos(φ1)+|r
xy
|2+|t
xy
|2+2|r
xy
|
·
|t
xy
|
·
cos(φ2)]
[0042]
其中r
xx
表示x极化入射x极化反射，t
xx
表示x极化入射x极化透射，r
xy
表示x极化入射y极化反射，t
xy
表示x极化入射y极化透射，φ1表示r
xx
和t
xx
之间的相位差，φ2表示r
xy
和t
xy
之间的相位差。
[0043]
对于交叉极化相干完美吸，其吸波效率可以表示为:
[0044]ac
＝1-[|r
xx
|2+|t
yx
|2+2|r
xx
|
·
|t
yx
|
·
cos(φ3)+|r
xy
|2+|t
yy
|2+2|r
xy
|
·
|t
yy
|
·
cos(φ4)]
[0045]
其中，t
yx
表示y极化入射x极化透射，t
yy
表示y极化入射y极化透射，φ3表示r
xx
和t
yx
之间的相位差，φ4表示r
xy
和t
yy
之间的相位差。
[0046]
通过对相变材料温度的控制实现对其金属-绝缘态的转换，同时通过对石墨烯光栅偏置电压的控制实现对其费米能级的调整，在一个频带分别实现x极化与x极化的同极化
互易相干吸波、x极化与y极化的交叉极化非互易相干吸波；在另一个频带分别实现y极化与y极化的同极化互易相干吸波、y极化与x极化的交叉极化非互易相干吸波。
[0047]
以下结合仿真实验，对本发明的技术效果进行说明。
[0048]
1.仿真条件和内容：
[0049]
仿真软件使用商业仿真软件cst microwave studio对本发明进行数据仿真。
[0050]
仿真1、对本发明石墨烯费米能级μc＝1ev，vo2为金属态时，x极化控制波与x极化信号波入射到超材料吸波体上发生相干吸波时的吸波率进行仿真，其结果如图6所示。
[0051]
仿真2、对本发明石墨烯费米能级μc＝0.7ev，vo2为绝缘态时，x极化控制波与y极化信号波入射到超材料吸波体上发生相干吸波时的吸波率进行仿真，其结果如图7所示。
[0052]
仿真3、对本发明石墨烯费米能级μc＝0.2ev，vo2为绝缘态时，y极化控制波与x极化信号波入射到超材料吸波体上发生相干吸波时的吸波率进行仿真，其结果如图8所示。
[0053]
仿真4、对本发明石墨烯费米能级μc＝0.1ev，vo2为金属态时，y极化控制波与y极化信号波入射到超材料吸波体上发生相干吸波时的吸波率进行仿真，其结果如图9所示。
[0054]
2.仿真结果分析；
[0055]
参照图6，控制波为x极化时，信号波为x极化时，通过偏置电压调整石墨烯费米能级μc＝1ev，温度控制vo2为金属态时，此时在频率3thz，当x极化控制波沿z轴负方向入射到超材料吸波体上表面的第一金属层1后透射为x极化波，x极化波经第一石墨烯光栅2、带有c型缝隙的第二金属层3、第二石墨烯光栅4和第三金属层5后透射为x极化波，并与沿z轴正方向入射的x极化信号波实现x极化控制波与x极化信号波的互易相干吸波，实现同极化吸波效率为97.9％的相干完美吸波。
[0056]
参照图7，控制波为x极化时，信号波为y极化时，通过偏置电压调整石墨烯费米能级μc＝0.7ev，温度控制vo2为绝缘态时，此时在频率3thz，当x极化控制波沿z轴负方向入射到超材料吸波体上表面的第一金属层1后透射为x极化波，x极化波经第一石墨烯光栅2、带有c型缝隙的第二金属层3、第二石墨烯光栅4和第三金属层5后透射为y极化波，并与沿z轴正方向入射的y极化信号波实现x极化控制波与y极化信号波的非互易相干吸波，实现交叉极化吸波效率为95.3％的相干完美吸波。
[0057]
参照图8，控制波为y极化时，信号波为x极化时，通过偏置电压调整石墨烯费米能级μc＝0.2ev时，温度控制vo2为绝缘态时，此时在频率3.65thz，当x极化信号波沿z轴负方向入射到超材料吸波体上表面的第一金属层1后透射为x极化波，x极化波经第一石墨烯光栅2、带有c型缝隙的第二金属层3、第二石墨烯光栅4和第三金属层5后透射为y极化波，并与沿z轴正方向入射的y极化控制波实现y极化控制波与x极化信号波的非互易相干吸波，实现交叉极化吸波效率99.7％的相干完美吸波。
[0058]
参照图9，控制波为y极化时，信号波为y极化时，通过偏置电压调整石墨烯费米能级μc＝0.1ev时，温度控制vo2为金属态时，此时在频率3.65thz，当y极化信号波沿z轴负方向入射到超材料吸波体上表面的第一金属层1后透射为y极化波，y极化波经第一石墨烯光栅2、带有c型缝隙的第二金属层3、第二石墨烯光栅4和第三金属层5后透射为y极化波，并与沿z轴正方向入射的y极化控制波实现y极化控制波与y极化信号波的互易相干吸波，实现同极化吸波效率99％的相干完美吸波。
[0059]
通过温度与电压协同控制，实现了在频率3thz时控制波为x极化与信号波为同极
化或交叉极化时相干完美吸波，同时实现了在频率3.65thz时控制波为y极化与信号波为同极化或交叉极化时相干完美吸波，通过一种极化的控制波即可操纵两种不同极化的信号波的吸波率，实现了同极化与交叉极化的非互易相干完美吸波，解决了当前相干完美吸波功能单一的缺陷。
[0060]
综上所述，本发明实现了两种同极化互易相干完美吸波和两种交叉极化非互易相干完美吸波，极大的提高了吸波体的控制能力，为以后多极化吸波器件奠定了基础，根据本发明内容和原理，在进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于温控与电控协同的多极化非互易超材料相干吸波体，包括沿三维坐标系oxy平面内x和y方向周期性排布的多个吸波体单元；其特征在于，所述吸波体单元包括自上而下的依次排布的第一金属层(1)、第一石墨烯光栅(2)、带有c型缝隙的第二金属层(3)、第二石墨烯光栅(4)和第三金属层(5)；所述第一金属层(1)、第三金属层(5)上分别蚀刻有由三个f型缝隙拼接而成的第一准#字形缝隙(6)、第二准#字形缝隙(7)，其中第一f型缝隙与第二f型缝隙关于x轴和y轴的角分线镜像对称，第一准#字形缝隙(6)、第二准#字形缝隙(7)中的第一f型缝隙与第三f型缝隙分别关于x轴、y轴镜像对称；所述第一准#字形缝隙(6)、第二准#字形缝隙(7)中的部分位置填充有相变材料，分别与第一金属层(1)、第三金属层(5)形成复合结构,且两个复合结构的结构相同；所述c型缝隙(31)的开口方向与y轴的夹角为β；通过对相变材料温度的控制实现对其金属-绝缘态的转换，同时通过对石墨烯光栅偏置电压的控制实现对其费米能级的调整，在一个频带分别实现x极化与x极化的同极化互易相干吸波、x极化与y极化的交叉极化非互易相干吸波；在另一个频带分别实现y极化与y极化的同极化互易相干吸波、y极化与x极化的交叉极化非互易相干吸波。2.根据权利要求1所述的基于温控与电控协同的多极化非互易超材料相干吸波体，其特征在于：所述第一金属层(1)印制在方形第一介质板(8)的上表面；所述第一石墨烯光栅(2)印制在方形第二介质板(9)的上表面；所述带有c型缝隙的第二金属层(3)、第二石墨烯光栅(4)分别印制在方形第三介质板(10)的上表面、下表面；所述第三金属层(5)印制在方形第四介质板(11)的下表面。3.根据权利要求1所述的基于温控与电控协同的多极化非互易超材料相干吸波体，其特征在于：所述第一f型缝隙、第二f型缝隙和第三f型缝隙结构相同。4.根据权利要求1所述的基于温控与电控协同的多极化非互易超材料相干吸波体，其特征在于：所述相变材料，采用vo2、ws2或bp。5.根据权利要求1所述的基于温控与电控协同的多极化非互易超材料相干吸波体，其特征在于：所述第二石墨烯光栅(4)，其结构与第一石墨烯光栅(2)相同，且该两个石墨烯光栅的条带与x轴的夹角α＝45
°±
10
°
。6.根据权利要求5所述的基于温控与电控协同的多极化非互易超材料相干吸波体，其特征在于：所述第一石墨烯光栅(2)和第二石墨烯光栅(4)，其石墨烯光栅条带与光栅缝隙的宽度相等。7.根据权利要求5所述的基于温控与电控协同的多极化非互易超材料相干吸波体，其特征在于：所述第一石墨烯光栅(2)和第二石墨烯光栅(4)，其外加偏置电压v
g
与费米能级μ
c
的关系为：其中，表示约化普朗克常数，v
f
表示费米速度，ε0表示真空的介电常数，ε
r
表示介质板的介电常数，e表示电子电荷,d1表示第一介质板或第四介质板的厚度，d2表示第二介质板或第三介质板的厚度。8.根据权利要求1所述的基于温控与电控协同的多极化非互易超材料相干吸波体，其
特征在于：所述c型缝隙(31)，其开口方向与y轴的夹角β＝45
°±
10
°
。9.根据权利要求1所述的基于温控与电控协同的多极化非互易超材料相干吸波体，其特征在于：所述第一金属层(1)、第二金属层(3)和第三金属层(5)，采用au、ag或ti。

技术总结
本发明提出了一种基于温控与电控协同的多极化非互易超材料相干吸波体，每个吸波体单元包括上下排布的两个蚀刻有准#字形缝隙的金属层和位于其中间的带有C型缝隙的金属层，以及位于相邻金属层之间的石墨烯光栅，两个准#字形缝隙中的部分位置填充有相变材料，与所在金属层形成复合结构。本发明通过对相变材料温度的控制实现对其金属-绝缘态的转换，同时通过对石墨烯光栅偏置电压的控制实现对其费米能级的调整，在一个频带分别实现x极化与x极化的同极化互易相干吸波、x极化与y极化的交叉极化非互易相干吸波，在另一个频带分别实现y极化与y极化的同极化互易相干吸波、y极化与x极化的交叉极化非互易相干吸波，有效拓宽了应用范围。范围。范围。


技术研发人员：杨锐 张山芳
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：2023.05.19
技术公布日：2023/8/14