基于超材料的光學(xué)射頻探測研究

高升

【摘 要】學(xué)位在目前的研究現(xiàn)狀來看，國內(nèi)外已經(jīng)把光學(xué)和射頻技術(shù)開始融合起來，這種新的方法也已經(jīng)成為光學(xué)探測領(lǐng)域的重點(diǎn)。本文的主要探討方向就是基于加載了的光學(xué)射頻探測研究。本文由淺入深的討論了對太赫茲波的探測問題，目前，隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，國內(nèi)外科學(xué)家已經(jīng)成功研制出性能可靠的太赫茲源，同時太赫茲源的實(shí)際應(yīng)用也非常的寬，在安檢成像和醫(yī)學(xué)應(yīng)用等領(lǐng)域都能夠大展拳腳。

【關(guān)鍵詞】光學(xué)射頻探測；紅外信號；超材料

一、超材料器件的制備研究

金屬的SRR微結(jié)構(gòu)進(jìn)入電磁場的形式是共振，科學(xué)家們?yōu)榱烁尤娴貙RR陣列進(jìn)行控制，將SRR結(jié)構(gòu)以一種非?？茖W(xué)的方式制作成超材料器件。而這種人工超材料在對電磁波場進(jìn)行共振感應(yīng)時，受到了各種外界條件制約，為了能生產(chǎn)出一種不受外界條件制約的人工超材料，科學(xué)家們經(jīng)過長期的艱苦研究和探索，開發(fā)出一套半導(dǎo)體制作工藝流程，而這套流程的意義就是確保超材料器件性能得到最大的保障。本文以半導(dǎo)體微電子集成制造技術(shù)中的光刻工藝為基礎(chǔ)，最大限度的將微米單位的SRR結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體襯底材料上，由此做出金屬電極。經(jīng)過長時間的調(diào)試和實(shí)驗，提出了一套技術(shù)方法來對超材料進(jìn)行版圖設(shè)計。一般常用的方法有以下幾種。

（一）半導(dǎo)體襯底

最常用的半導(dǎo)體就是金剛石類型和閃鋅礦類型的單晶?？梢猿浞掷闷涓咚龠w移特性。

（二）半導(dǎo)體摻雜

半導(dǎo)體摻雜的基本原理就是加入一小部分的外來原子，在晶體生長的加工過中實(shí)現(xiàn)它。而這些外來原子可以作為間隙原子，穿插在正常的位置中間，使得整個的化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

（三）肖特基接觸

最原始的方法就是在半導(dǎo)體的表面放置一根金屬絲，但是隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在都采用平面工藝制作。圖1-1，1-2，1-3分別為金屬N型半導(dǎo)體在熱平衡，正向偏壓和反向偏壓三種情況下接觸的能帶圖。

二、超材料對紅外信號的探測研究

光學(xué)射頻探測的實(shí)際應(yīng)用非常的廣泛，例如安檢系統(tǒng)、質(zhì)量檢測、信號探測和航天航空等各個方面和領(lǐng)域。但是有些高精尖領(lǐng)域?qū)鈱W(xué)射頻探測有非常高的研究，比如有些場合就要求高速和高靈敏度信號探測，于是現(xiàn)有的紅外探測器就無法滿足要求，因為有些缺點(diǎn)比如說整個機(jī)器的體積和占地面積過大，探測器的波長范圍是固定值，不能隨著外界情況環(huán)境的變化進(jìn)行調(diào)整和更改等等。

因為本文的主題就是基于超材料的光學(xué)射頻研究，所以發(fā)現(xiàn)有一些電磁波會導(dǎo)致特殊金屬圖案結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很多電子，而這些電子又會集體震蕩，通過集體震蕩在微納圖案這一結(jié)構(gòu)內(nèi)生產(chǎn)次級電磁振蕩，最后完成入射電磁波場這一物理過程。因為這些過程的量級都是微米級別，所以信號的響應(yīng)一般都在納秒甚至亞納秒時域，這一過程還可以用電控或磁控這兩種方法來量化調(diào)節(jié)。

超材料的特殊金屬圖案排序能夠用非?？斓乃俣热肷潆姶挪▓?。這種速度是電磁波通過共振感應(yīng)方式進(jìn)行高效耦合與響應(yīng)。在光頻紅外波段的影響下，人工超材料諧振器需要抗拒由入射電磁輻射造成的電磁狀態(tài)的改變。本文采用了一種細(xì)小結(jié)構(gòu)來制作人工超材料，并用這種新器件來感應(yīng)光頻紅外信號，最后拿CCD傳感器獲取實(shí)驗結(jié)果透射成像，把紅外信號的探測轉(zhuǎn)換為可見光信號的探測，這是一種全新的光頻信號感測方式，該研究對于超材料在光學(xué)射頻探測領(lǐng)域的發(fā)展，有著質(zhì)的突破。

三、基于超材料的光學(xué)射頻一體化架構(gòu)

本文在前面有提到，利用人工進(jìn)行圖案的刻畫，這樣做出來的超材料可以用共振的方法來對紅外光學(xué)輻射、太赫茲波和射頻毫米波進(jìn)行捕捉，然后如果是對SRR陣列進(jìn)行重新進(jìn)行科學(xué)排列，排列過后的SRR陣列就可以感應(yīng)到不同范圍的電磁波場，這種排列后的SSR陣列就能滿足光頻、射頻電磁波場的科學(xué)結(jié)構(gòu)，并且還可以再擁有靈活和小巧的特征，而且穿透能力很棒，探測距離也很長。利用超材料微納結(jié)構(gòu)做出來的光學(xué)射頻一體化探測陣列如圖3-1所示。縱向剖面示意圖如圖3-2所示。

四、實(shí)驗方案

本實(shí)驗采用西安凌越機(jī)電科技有限公司生產(chǎn)的型號為 H980-2000P 的近紅外半導(dǎo)體激光器，如圖4-1所示?？商綔y的波段非常廣泛。

在紅外影響的激勵環(huán)境下，超材料的上層金屬排列方式會產(chǎn)生一些感應(yīng)方面的反應(yīng)，這種現(xiàn)象會被顯微鏡觀測到。所以本文設(shè)計了圖4-2的方案進(jìn)行測試。

由以上測試方案所衍生的光路實(shí)物圖由圖4-3所示。

圖4-3中可以看到顯微物鏡和超材料器件的頂端保持非常近的距離，這個距離一定要控制在0.1mm至1cm之間。顯微物鏡可將超材料器件上面的金屬排列的光學(xué)感應(yīng)變化進(jìn)行放大，然后就可以通過放大后的圖像進(jìn)行觀測。

【參考文獻(xiàn)】

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