電磁超材料吸收器在太赫茲波段的研究進展

丁春峰,續(xù)宗成,張雅婷*,閆昕

(1.天津大學(xué) 精密儀器與光電子工程學(xué)院,天津 300072；2.棗莊學(xué)院 光電工程學(xué)院,山東 棗莊 277160)

電磁超材料吸收器在太赫茲波段的研究進展

丁春峰1,續(xù)宗成1,張雅婷1*,閆昕2

(1.天津大學(xué) 精密儀器與光電子工程學(xué)院,天津 300072；2.棗莊學(xué)院 光電工程學(xué)院,山東 棗莊 277160)

基于電磁超材料的太赫茲吸收器通過合理設(shè)計結(jié)構(gòu)尺寸和材料參數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)近完美吸收，因而受到學(xué)術(shù)界的關(guān)注，近幾年對太赫茲吸收器的研究發(fā)展很快.本文綜述了基于電磁超材料的太赫茲吸收器的研究進展，分別從理論、結(jié)構(gòu)和性能對太赫茲吸收器的研究進行了介紹，最后對太赫茲吸收器的未來發(fā)展和待解決的問題進行了探討.

太赫茲波；電磁超材料；吸收器；進展①

0 引言

電磁超材料(metamaterials) 是一種異于天然的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料[1], 具有諸如負折射效應(yīng)[2]、反常Doppler效應(yīng)[3]、反常Cherenkov效應(yīng)[4]、完美透鏡[5]等超常物理特性.

鑒于超材料所表現(xiàn)出的奇妙性質(zhì)，利用超材料來實現(xiàn)對電磁波的高吸收，近年來也受到廣泛關(guān)注.從理論上講，通過對特殊結(jié)構(gòu)模型的優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)ε和μ的完美匹配，使電磁超材料吸收器與自由空間達到良好的阻抗匹配，以降低電磁波的反射；另外，激勵ε和μ的諧振，使電磁波的透射很低，這樣，將能實現(xiàn)對電磁波的高吸收.2008年，Landy等[6]和Tao等[7]分別在微波和太赫茲波段設(shè)計出基于電磁諧振的“完美”超材料吸波體.隨后，研究人員又設(shè)計出極化不敏感[8]和寬入射角[9]的超材料吸波體．自此以后，太赫茲領(lǐng)域的超材料吸收器開始引起研究人員的關(guān)注，多種類型的太赫茲吸收器相繼出現(xiàn).電磁超材料吸收器的潛在應(yīng)用包括測輻射熱儀,電磁隱身[10]，熱發(fā)射[11]以及傳感等領(lǐng)域.

本文綜述了當(dāng)前基于電磁超材料的吸收器在THz波段的研究最新進展，分類介紹了不同功能超材料吸收器的結(jié)構(gòu)及特點，電磁超材料吸收器在太赫茲波段的發(fā)展趨勢和要解決的問題進行探討.

1 電磁超材料吸收器的理論進展

對于一種給定的吸波材料，其吸波特性由傳輸率T(ω)和反射率R(ω)決定，即吸收率A(ω)可由下式表示：

A(ω)=1-T(ω)-R(ω)

(1)

如果在一定條件下，能夠使T(ω)和R(ω)同時等于0或接近0，則A(ω)≈1，即實現(xiàn)了近完美吸收.關(guān)于如何實現(xiàn)完美吸收，目前有兩種理論.

1.1 阻抗匹配理論

該理論認為，吸波材料要實現(xiàn)高吸收率，必須滿足兩個條件：1) 吸波材料阻抗必須盡量與自由空間阻抗數(shù)相匹配，以便能夠使入射的電磁波最大限度地進入材料內(nèi)部，即吸波器的阻抗Z要等于真空的阻抗Z0. 2) 吸波材料應(yīng)該具備較大的電磁波衰減特性, 以便使進入材料內(nèi)部的電磁波最大限度地被損耗掉.

由于

(2)

其中ε(ω)=ε(ω)′+iε(ω)"，μ(ω)=μ(ω)′+iμ(ω)".要滿足條件1，要求ε(ω)′=μ(ω)′,ε(ω)"=μ(ω)".對于厚度為d的介質(zhì)材料，要滿足條件2，其實質(zhì)是要求T(ω)=0,因為T=|t2|=e-2n"kd，其中t為透射系數(shù)[12]，即要求n"必須足夠大，由(2)式可得n"≈ε"=μ"，即要求電磁超材料吸收器的虛部必須足夠大.

電磁超材料可以通過對幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計調(diào)節(jié)與頻率相關(guān)的電磁本構(gòu)參數(shù)ε(ω)和μ(ω)，滿足吸波材料設(shè)計的兩個條件，從而可以制作成吸波材料.

1.2 干涉相消理論

2012年Hou-tong Chen提出了太赫茲超材料吸收器的干涉相消理論[13]，該理論工作原理如圖1所示，太赫茲波在空氣-金屬結(jié)構(gòu)表面進行反射和透射，其中，透射部分經(jīng)過底部金屬反射層反射后再次回到空氣-金屬結(jié)構(gòu)表面發(fā)生反射和透射，其中一部分太赫茲波透射到空氣中，如果該部分透射波和最初的反射波滿足干涉相消條件，則可得R(ω)=0，又因為吸收器底層存在金屬層，所以T(ω)=0，因此，根據(jù)公式(1)可知A(ω)=1，吸收器實現(xiàn)完美吸收.

圖1 干涉相消原理圖

2 實驗研究進展

2.1 單頻窄帶吸收

超材料吸收器的設(shè)計首先是從單帶吸收開始，吸收的頻帶較窄，HU Tao中設(shè)計、制作并刻畫了一個高靈敏寬角度的太赫茲波超材料吸收器，實驗證實，吸收率為0.97在1.6THz,而且吸收器的厚度僅有16微米厚，超材料吸收器的設(shè)計有三層，第一層和第三層為金屬結(jié)構(gòu)，中間一層為電介質(zhì)，第一層為開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)，主要決定介電常數(shù)，第一層和第三層在磁場的激勵下會形成相互耦合的環(huán)形電流，形成磁共振，然后利用電磁仿真軟件來優(yōu)化結(jié)構(gòu)的尺寸.圖2就是作者設(shè)計的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，第三層是金屬，在整個頻帶中厚度超過了THz的趨膚深度，因此透射為零，只要盡可能的減少反射，就可以實現(xiàn)THz的完全吸收.

圖3 仿真得到的超材料吸收器在不同入射角下的吸收隨頻率的變化情況(a)TE(b)TM

在圖3中可以看出，對于TE模入射，吸收可以達到0.99，隨著入射角的增大，入射角在500以上吸收依然超過0.89，盡管如此，吸收的頻帶很窄.

2.2 多頻帶吸收

目前多頻吸收器的研究工作主要包括雙頻吸收器，三頻吸收器，四頻吸收器等.下面主要介紹三頻吸收器的研究，三頻吸收器是對雙頻吸收器的延伸，在文獻[14]中提出了一種三頻THz吸收器，是由單頻吸收和雙頻吸收組合而成的，仿真結(jié)構(gòu)如圖4所示.理論和實驗證實，在0.29THz,0.46THz,0.92THz具有明顯的吸收，在提出的結(jié)構(gòu)中，不同開口環(huán)之間的相互耦合在共振中起到了非常重要的作用.

2.3 寬帶吸收

寬帶太赫茲吸收器一直以來就是研究的熱點，2010年，Ye等[15]提出了一種全方位極化不敏感的多層結(jié)構(gòu)太赫茲寬頻吸收器，層數(shù)增加到三層時實現(xiàn)了4.44THz到5.47THz的寬頻吸收，而且三層結(jié)構(gòu)的總厚度不到入射波長的1/15.2011年J.Grant[16]設(shè)計了三層極化不敏感的的太赫茲吸收器，實現(xiàn)了1.86THz 的寬頻吸收，吸收效率為60%.2012年Li Huang[17]在單層吸收器表面設(shè)計兩種不同金屬結(jié)構(gòu)，通過這兩種不同金屬結(jié)構(gòu)的共振吸收峰的疊加實現(xiàn)了寬帶吸收.2012年Zhaofeng Ma[18]設(shè)計了一種平頂金字塔形多層金屬結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)如圖2所示，該結(jié)構(gòu)的金屬層選用電導(dǎo)率σ=4.09×107s/m的金，填充介質(zhì)選用介電常數(shù)ε=3.5+0.02i的聚合物，具體結(jié)構(gòu)尺寸如下p = 95 μm,Wt = 39.7 μm, Wb = 79 μm, T = 49.1 μm, tm = 0.2 μm. 從底層到頂成td依次為 8.7, 7.2, 6.1, 5.2, 4.5, 3.9, 3.4, 3, 2.7, 2.4 μm. 通過理論模擬計算，獲得了10個間隔約等于0.1THz的吸收峰，這10個吸收峰疊加后得到了1.08-2.15THz的寬帶吸收峰，吸收率達到90%以上.產(chǎn)生這種寬帶吸收的原因可解釋為，每一個共振峰對應(yīng)一層金屬結(jié)構(gòu)，其中低頻部分對應(yīng)下層尺寸大的結(jié)構(gòu)，高頻部分對應(yīng)上層尺寸小的結(jié)構(gòu)，這10層金屬結(jié)構(gòu)同時共振產(chǎn)生了寬帶太赫茲吸收.

圖6 太赫茲吸收器的結(jié)構(gòu) (a):三維結(jié)構(gòu)；(b):切面結(jié)構(gòu)圖

2.4 可調(diào)諧吸收

目前對太赫茲波段便捷可調(diào)吸收器的研究工作較少.文獻[19]提出了一種光可調(diào)太赫茲波吸收器.通過改變外加光照強度來控制半導(dǎo)體硅的電導(dǎo)率，從而實現(xiàn)吸收器中心吸收頻率的改變.當(dāng)半導(dǎo)體硅材料的電導(dǎo)率σ從 1 S/m 變化為1.8×104S/m時， 吸收器中心吸收頻率點從0.750 THz 變化為 1.309 THz，調(diào)節(jié)范圍高達 0.559 THz.當(dāng)電導(dǎo)率σ從 1.2×104S/m變化為1.6×104S/m時，吸收器中心吸收頻率點從 1.320 THz 變化為 1.312 THz，可調(diào)諧范圍僅為 8 GHz.研究結(jié)果表明，該吸收器可以同時實現(xiàn)中心吸收頻率點的大范圍和小范圍的調(diào)節(jié).

圖7 不同硅電導(dǎo)率條件下吸收器的吸收率

文獻[20]中提出了一種通過熱控制可調(diào)諧的THz超材料吸收器，用半導(dǎo)體InSb代替金屬，半導(dǎo)體的載流子濃度主要由溫度決定，因此通過改變溫度進而改變超材料的電感和電容.文獻中設(shè)計的結(jié)構(gòu)也為三層，上下為半導(dǎo)體InSb圓盤，中間為電介質(zhì).對于InSb來說，載流子濃度的公式為，

(3)

其中T為絕對溫度，kB為波爾茲曼常數(shù)，載流子濃度又與等離子體頻率有關(guān)，因此溫度的改變會改變載流子濃度和等離子體頻率，InSb更表現(xiàn)為金屬的特性，在構(gòu)建溫度調(diào)諧超材料方面起到了重要的作用.

圖8 吸收器的結(jié)構(gòu)單元

圖9(a) 依據(jù)仿真得到的不同溫度下的(a)透射和(b)吸收圖像

3 未來發(fā)展趨勢

基于電磁超材料的太赫茲吸收器在短短的幾年內(nèi)已經(jīng)取得了一定的研究進展而且也漸漸成為吸收器的研究熱點，未來的研究大致分為以下幾個方向：

寬帶太赫茲吸收器：寬帶吸收器在吸收，隱身，熱發(fā)射，以及能量轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景.目前，太赫茲波段的寬帶吸收器還處于起步階段，它將是未來一段時間的一個研究熱點.

可調(diào)諧太赫茲吸收器：可調(diào)諧吸收器可以靈活的實現(xiàn)對不同太赫茲波的吸收，并且可以實現(xiàn)對太赫茲波吸收程度的控制，具有廣闊的應(yīng)用前景.過去幾年，已經(jīng)實現(xiàn)通過電控液晶[21]、肖特基二極管[22]等或通過溫控相變材料或InSb等實現(xiàn)了可調(diào)諧太赫茲吸收.隨著微結(jié)構(gòu)加工技術(shù)的提高和新材料的出現(xiàn)，相信越來越多的高性能太赫茲吸收器將會出現(xiàn).

太赫茲吸收器的應(yīng)用：目前關(guān)于太赫茲吸收器的應(yīng)用還處在理論或?qū)嶒炇译A段，遠遠沒有達到實際應(yīng)用階段，因此，關(guān)于太赫茲吸收器的應(yīng)用有很多問題噬待解決，例如，如何結(jié)合使太赫茲吸收器與功能材料相結(jié)合，如何對太赫茲吸收器的采集信息進行收集等.結(jié)合太赫茲吸收器的特點，筆者認為，對太赫茲吸收器的應(yīng)用研究和開發(fā)應(yīng)主要集中在太赫茲探測器、傳感器和太赫茲熱光伏效應(yīng)等領(lǐng)域.

4 結(jié)束語

綜上所述，電磁超材料吸收器在太赫茲波段的研究已經(jīng)取得了一定的進展，形成了初步的研究方向，但是，受限于太赫茲波段的特殊性，該領(lǐng)域的研究還任重道遠.未來的研究將朝著太赫茲寬帶吸收、太赫茲可調(diào)諧吸收，以及基于太赫茲吸收器的功能器件研究等方向發(fā)展.

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ResearchProgressofElectromagneticMetamaterialAbsorberinTHzFrequencies

DING Chun-feng1, XU Zong-cheng1, ZHANG Ya-ting1*,YAN xin2

(1.College of Precision Instrument and Opto-electronics Engineering, Tianjin University,CN-300072 Tianjin, China;2.Department of Opto-Electronic Engineering College,Zaozhuang University, Zaozhuang 277160,China)

Due to the capability of nearly perfect absorption of electromagnetic waves, the electromagnetic resonant absorber based on electromagnetic metamaterials which is designed reasonably with the physical dimensions of the devices and the parameters of the material draws great attention of the academics. Especially, the research of the terahertz (THz) absorber based on electromagnetic metamaterials has rapidly progressed in recent years.In this paper, the developments of the THz absorbers based on metamaterials are reviewed.The progress of absorbers'theory, the characteristics of the of absorber's structure and performance are introduced in classification, besides the future development of THz absorber and the problems to be resolved are discussed

terahertz (THz);metamaterial;absorber;progress

0441 TB34

A

1004-7077(2013)05-0012-07

2013-09-10

國家自然科學(xué)基金(項目編號：61271066);山東省2013科技發(fā)展計劃項目(項目編號：2013GGA04021);山東省2013年高等學(xué)?？萍加媱濏椖?項目編號：J13LN07).

張雅婷(1983-)，女，天津人，天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院講師，理學(xué)博士，主要從事納米光電子學(xué)方向的研究.

閆昕]