一種基于平面光傳感與超材料的太赫茲熱輻射計制造技術

本發明專利技術涉及一種基于平面光傳感與超材料的太赫茲熱輻射計，其包括吸波超材料及溫度檢測裝置；該吸波超材料包括具有兩相對側表面的基材，該兩相對側表面至少一側表面上附著有多個人造微結構，太赫茲波通過該吸波超材料時被該吸波超材料吸收太赫茲波并使得該吸波超材料溫度發生變化；該溫度檢測裝置包括平面光波導溫度傳感器及數據處理單元，該平面光波導溫度傳感器用于檢測吸波超材料溫度，該數據處理單元用于根據吸波超材料溫度的變化得出該太赫茲波功率。本發明專利技術具有檢測靈敏度高、尺寸小、結構簡單、利于制作集成及不受電磁干擾的優點。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種檢測太赫茲波的裝置，尤其涉及一種基于平面光傳感與超材料的太赫茲熱輻射計。
技術介紹
太赫茲(THz)波是頻率在O.1THz到IOlTHz范圍的電磁波，波長大概在30 μ m到 3mm范圍，介于微波與紅外線波之間，是電磁波譜中一個很重要的波段。由于受到有太赫茲產生源和靈敏探測器的限制，涉及太赫茲波段的研究進展較緩慢，因此這一波段也被稱為太赫茲間隙。與其它波段的電磁波相比，太赫茲波輻射源具有想干性好、光子能量低、穿透力強等獨特優異的特性，所以在物理、化學和醫藥科學等基礎研究領域，以及安全檢查、環境監測、食品檢查、衛星通信等應用研究領域均具有巨大的科學研究價值和廣闊的應用前景。因此，研究和開發太赫茲技術及相關太赫茲器件無論對基礎科學研究還是市場開發應用都有著十分重要的意義。目前太赫茲波光源、傳輸和檢測技術不成熟。太赫茲波探測方面由于其光子量較低，背景噪聲較大，給太赫茲探測帶來諸多技術上的難題?，F有的檢測太赫茲波的裝置是利用太赫茲探測器將太赫茲波信號轉換為電信號，對輸出電信號濾波放大后再進行測試，太赫茲信號仍然是在太赫茲波段進行檢測。然而，上述現有的通過放大電信號來檢測太赫茲波的裝置，其檢測靈敏度低、體積大、結構復雜、不能集成在一起及容易受電磁干擾。
技術實現思路
本專利技術所要解決的技術問題在于，針對上述現有技術的不足，提出一種基于平面光傳感與超材料的太赫茲熱輻射計，其檢測靈敏度高、尺寸小、結構簡單、利于制作集成及不受電磁干擾。本專利技術解決其技術問題所采用的技術方案是，提出一種基于平面光傳感與超材料的太赫茲熱輻射計，其包括吸波超材料及溫度檢測裝置；該吸波超材料包括具有兩相對側表面的基材，該兩相對側表面至少一側表面上附著有多個人造微結構，太赫茲波通過該吸波超材料時被該吸波超材料吸收并使得該吸波超材料溫度發生變化；該溫度檢測裝置包括平面光波導溫度傳感器及數據處理單元，該平面光波導溫度傳感器用于檢測吸波超材料溫度，該數據處理單元用于根據吸波超材料溫度的變化得出該電磁波功率。進一步地，所述平面光波導溫度傳感器為平面光波導馬赫-曾德爾干涉儀。進一步地，所述平面光波導馬赫-曾德爾干涉儀包括激光器，用以發出激光束；第一耦合器，用以將該激光束分離為第一激光束和第二激光束第一平面光波導臂和第二平面光波導臂，為高分子材料光波導，用以分別接收并傳輸該第一激光束和該第二激光束；當該第一平面光波導臂 和/或該第二平面光波導臂溫度發生變化時，該第一激光束和/或該第二激光束相位相應發生變化；第二耦合器，用以接收相位發生變化的該第一激光束和該第二激光束、將該相位 變化轉化為光功率變化并輸出該光功率變化信息；探測器，用以接收從該第二耦合器輸出的該光功率變化信息并將該光功率變化信 息輸出至該數據處理單元；其中，該第一平面光波導臂和該第二平面光波導臂兩者之一集成于該吸波超材料 中。進一步地，該第一耦合器或/和第二耦合器為硅基二氧化硅平面光波導結構。進一步地,該基材兩相對側表面的一側表面上附著有第一人造微結構，另一側表 面上附著有與該第一人造微結構 對應的第二人造微結構；該第一人造微結構包括相互 垂直而連接成“十”字形的兩個第一金屬分支，分別連接在該第一金屬分支兩端且垂直于該 第一金屬分支的第二金屬分支；該第二人造微結構由一邊具有缺口的四邊形狀的第三金屬 分支構成。進一步地，該人造微結構包括第一金屬分支，該第一金屬分支構成一邊具有缺口 的四邊形狀；一端設于該缺口相對的四邊形邊上并向該缺口延伸且突出該缺口的第二金屬 分支；垂直于該第二金屬分支另一端的第三金屬分支。進一步地，該基材為片狀基材，該吸波超材料由附著有多個該人造微結構的該片 狀基材疊加而成。進一步地,該基材由高分子聚合物、陶瓷、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料制成。進一步地，多個該人造微結構為周期排列，并通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻、 離子刻附著于該基材兩相對側表面至少一側表面上。進一步地，所述平面光波導溫度傳感器可為由微環諧振腔制作的溫度傳感器。綜上所述，本專利技術通過將吸波超材料與溫度檢測裝置結合起來，溫度檢測裝置能 精確、及時地測量吸波超材料將太赫茲波能量轉化為熱能所產生的溫度變化，從而精確測 量電磁波的功率，具有其檢測靈敏度高、尺寸小、結構簡單、利于制作集成及不受電磁干擾 的優點。附圖說明圖1為本專利技術一種基于平面光傳感與超材料的太赫茲熱輻射計吸波超材料第一 實施方式立體結構示意圖2、圖3分別為圖1所示吸波超材料的第一人造微結構和第二人造微結構的拓撲 結構示意圖4為本專利技術一種基于平面光傳感與超材料的太赫茲熱輻射計吸波超材料第二 實施方式立體結構示意圖5為圖4所示吸波超材料人造微結構拓撲結構示意圖6為圖5所示人造微結構分別響應電場和磁場的分解原理圖7為本專利技術一種基于平面光傳感與超材料的太赫茲熱輻射計結構示意圖8為本專利技術一種基于平面光傳感與超材料的太赫茲熱輻射計采用平面光波導 馬赫-曾德爾干涉儀的結構示意圖。具體實施方式吸波材料是指能夠將入射的電磁波能量轉換為熱能或其它形式的能量而耗散掉的一種材料。吸波材料的基本物理原理是材料對入射電磁波實現有效吸收，將電磁波能量轉換并耗散掉，該材料應具備兩個特性即阻抗匹配特性和衰減特性。阻抗匹配特性是指從自由空間入射到吸波材料表面的電磁波被吸波材料表面反射而形成的反射特性。理想的吸波材料要達到完美阻抗匹配特性時應使得從自由空間入射的電磁波在理想吸波材料表面形成零反射，即電磁波全部進入理想吸波材料內部。由于自由空間阻抗Z= 1，根據公式Z= 可知，當該吸波材料的相對介電常數ε和相對磁導率μ相等時即可達到理想阻抗匹配特性。其中由于吸波材料存在損耗，所以相對介電常數ε = ε ’-j ε ”，相對磁導率μ =μ’-jy”。衰減特性是指進入材料內部的電磁波產生損耗而被吸收的現象，損耗大小可用電損耗因子tan δ e = ε ” / ε ’和磁損耗因子tan δ m = μ ” / μ ’來表征。 吸波材料吸收電磁波能量所產生的熱能能改變材料自身的溫度。吸波材料吸收電磁波時產生的熱能大小由電磁波的功率所決定，其與電磁波的頻率無關。因此在根據所要吸收電磁波的頻率確定吸波材料整體的結構以后即能利用該吸波材料測定該電磁波的功率。目前常用的傳統吸波材料有鐵氧體、導電高聚物材料、碳纖維材料、炭黑等。此類傳統吸波材料主要是利用不同物質的混合配比達到吸收一定頻段電磁波的目的，此類傳統吸波材料就需要針對不同頻率的電磁波進行配比和實驗，需要耗費極大的時間和成本。超材料是由具有一定圖案形狀的人造微結構按照特定方式周期排列于基材中而構成。人造微結構不同的圖案形狀和排列方式使得超材料具有不同的介電常數和不同的磁導率從而使得超材料具有不同的電磁響應。根據設計需要，超材料需要實現吸波功能。而改變人造微結構的圖案和排布方式也可改變吸波超材料所能吸收電磁波的頻率。人造微結構的圖案和排布方式所對應的電磁波頻率可由計算機仿真得到，省去了傳統吸波材料為適應電磁波頻率的改變而需要配比不同物質的時間成本和人力成本，且超材料整體均采用常規材料制成、成本低廉。下面結合附圖詳細描述兩種具有良好吸波性能和電磁參數調節方便、成本低廉的吸波超材料實施方式。如圖1、圖2、圖3所示，圖1為本專利技術一種基本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于平面光傳感與超材料的太赫茲熱輻射計，其特征在于：包括吸波超材料及溫度檢測裝置；該吸波超材料包括具有兩相對側表面的基材，該兩相對側表面至少一側表面上附著有多個人造微結構，太赫茲波通過該吸波超材料時被該吸波超材料吸收并使得該吸波超材料溫度發生變化；該溫度檢測裝置包括平面光波導溫度傳感器及數據處理單元，該平面光波導溫度傳感器用于檢測吸波超材料溫度，該數據處理單元用于根據吸波超材料溫度的變化得出該太赫茲波功率。

【技術特征摘要】
1.一種基于平面光傳感與超材料的太赫茲熱輻射計，其特征在于包括吸波超材料及溫度檢測裝置；該吸波超材料包括具有兩相對側表面的基材，該兩相對側表面至少一側表面上附著有多個人造微結構，太赫茲波通過該吸波超材料時被該吸波超材料吸收并使得該吸波超材料溫度發生變化；該溫度檢測裝置包括平面光波導溫度傳感器及數據處理單元，該平面光波導溫度傳感器用于檢測吸波超材料溫度，該數據處理單元用于根據吸波超材料溫度的變化得出該太赫茲波功率。2.根據權利要求1所述的基于平面光傳感與超材料的太赫茲熱輻射計，其特征在于所述平面光波導溫度傳感器為平面光波導馬赫-曾德爾干涉儀。3.根據權利要求2所述的基于平面光傳感與超材料的太赫茲熱輻射計，其特征在于所述平面光波導馬赫-曾德爾干涉儀包括 激光器，用以發出激光束； 第一稱合器，用以將該激光束分離為第一激光束和第二激光束； 第一平面光波導臂和第二平面光波導臂，為高分子材料光波導，用以分別接收并傳輸該第一激光束和該第二激光束；當該第一平面光波導臂和/或該第二平面光波導臂溫度發生變化時，該第一激光束和/或該第二激光束相位相應發生變化； 第二耦合器，用以接收相位發生變化的該第一激光束和該第二激光束、將該相位變化轉化為光功率變化并輸出該光功率變化信息； 探測器，用以接收從該第二耦合器輸出的該光功率變化信息并將該光功率變化信息輸出至該數據處理單元； 其中，該第一平面光波導臂和該第二平面光波導臂兩者之一集成于該吸波超材料中。4.根據權利要求3所述的基于平面光傳感與超材料的太赫茲熱輻射計，其特征在于該第一稱合器或/和第...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉若鵬，徐冠雄，
申請(專利權)人：深圳光啟高等理工研究院，深圳光啟創新技術有限公司，
類型：發明
國別省市：