多層電磁超材料在太赫茲技術(shù)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

姚建銓，梁蘭菊

(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，棗莊 277160)

0 引言

電磁超材料也稱為人工電磁材料，是指具有特定幾何形狀的亞波長宏觀基本單元周期性或非周期性地排列所構(gòu)成的人工材料［1－3］.人們可以通過人為地設(shè)計單元結(jié)構(gòu)來控制材料屬性，構(gòu)成自然界不存在的特殊結(jié)構(gòu)材料，進(jìn)而控制電磁波的傳播［4－8］.超材料是近年來國際物理與電磁學(xué)界的前沿與熱點(diǎn)問題，與其相關(guān)的科學(xué)研究10年來已有三次被Science雜志評選為年度十大科技突破之一［9－13］.

太赫茲波是介于毫米波和紅外波之間的相當(dāng)寬范圍內(nèi)的電磁輻射區(qū)域，在物理學(xué)、材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)成像、寬帶和保密通訊，尤其是衛(wèi)星間通訊方面具有重大的應(yīng)用前景［14－20］.但是長期以來缺乏有效的太赫茲輻射產(chǎn)生和檢測方法，以及自然界中很少有材料能夠響應(yīng)該波段，導(dǎo)致太赫茲波段的電磁波未得到充分的研究和富有成效的應(yīng)用，被稱為電磁波譜中的“太赫茲空隙”.特別是缺乏功能化的太赫茲器件，如濾波器、吸收器、開關(guān)、偏振器等方面使太赫茲波段無法得到實(shí)際應(yīng)用.

電磁超材料，通過合理設(shè)計結(jié)構(gòu)單元的尺寸，可以很容易的控制在太赫茲波段，從而作為一種太赫茲人工材料被應(yīng)用于構(gòu)造太赫茲器件［21－27］.關(guān)于超材料大多數(shù)是利用磁諧振器(如SRR環(huán))和電諧振器(如開口金屬線)分別實(shí)現(xiàn)負(fù)磁導(dǎo)率和負(fù)介電常數(shù)，通過組成陣列來同時實(shí)現(xiàn)“雙負(fù)”［28－29］.但是，電磁超材料的機(jī)理是基于強(qiáng)電磁共振的，因此諧振帶寬很窄，只能應(yīng)用于有限領(lǐng)域，無法大量解決軍事和民用方面的需求.如何提高功能器件性能成為科研工作者所追尋的目標(biāo)，利用有效的方法實(shí)現(xiàn)頻帶的拓展是當(dāng)前待解決的主要問題之一.

為了解決目前存在帶寬窄等問題，多層超材料結(jié)構(gòu)或者不同結(jié)構(gòu)的組合實(shí)現(xiàn)雙頻、多頻和寬頻共振響應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)不同性能的太赫茲功能器件，拓寬太赫茲的應(yīng)用領(lǐng)域［30－33］.例如，通過多層電磁超材料結(jié)構(gòu)可以拓寬濾波器的帶寬，提高邊緣陡峭度，當(dāng)然也可以提高窄帶濾波器的Q值;通過不同結(jié)構(gòu)尺寸層間相互作用可以拓寬吸收器的帶寬;通過多層超材料，可以改變電磁波的傳播方向，進(jìn)而控制電磁波的偏振態(tài).因此電磁多層超材料特性無疑將為太赫茲器件發(fā)展提供新的機(jī)遇.本論文主要研究多層電磁超材料在太赫茲波段濾波器、吸收器、偏振器件等方面的應(yīng)用.

1 多層電磁超材料在太赫茲濾波器方面的應(yīng)用

太赫茲濾波器在通訊、成像、傳感等方面有著廣泛的應(yīng)用.特別是超寬帶濾波器，可以實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)傳輸，具有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景.

2012年，梁蘭菊等人基于多層柔性超材料寬通帶太赫茲濾波器［34］.設(shè)計的結(jié)構(gòu)主要包括隔離層－金屬－隔離層－金屬－隔離層dielectric－metal－dielectric－metal－dielectric(DMDMD)五層組成，如圖1所示.隔離層用柔性聚酰亞胺(polyimide)，因其具有較低的介電損耗、良好的柔韌性、穩(wěn)定和透明性等方面的突出特點(diǎn)，作為微結(jié)構(gòu)的基底和隔離層已經(jīng)得到充分的認(rèn)識，被稱為是解決問題的能手.設(shè)計的超材料金屬結(jié)構(gòu)主要包括漁網(wǎng)狀與方形環(huán)陣列組成，包括兩層尺寸相同，結(jié)構(gòu)一樣的超材料金屬結(jié)構(gòu).

圖1 (a)隔離層－金屬－隔離層－金屬－隔離層結(jié)構(gòu)示意圖(b)結(jié)構(gòu)參數(shù)為 ax=ay=132 μm，az=120 μm，Lp=120 μm，Wn=14 μm，Wm=10 μm，Lm=10 μm，Wp=14 μm，Ln=56 μm，LR=40 μm，聚酰亞胺的厚度為 d=40 μmFig.1 (a)Schematic of the dielectric－metal－dielectricdielectric－dielectric metamaterial structure(b)The dimension parameters are，ax=ay=132 μm，az=120 μm，Lp=120 μm，Wn=14 μm，Wm=10 μm，Lm=10 μm，Wp=14 μm，Ln=56 μm，LR=40 μm，and the thickness of the polyimide isd=40μm

圖2(a)為DMDMD結(jié)構(gòu)的太赫茲傳輸特性，結(jié)果表明，3dB帶寬范圍從0.5到0.97 THz，大約為0.47 THz，尖銳邊過渡轉(zhuǎn)變分別為80dB/THz與96dB/THz，通帶的波紋小于1dB，相對中心頻率為63.95%.為進(jìn)一步研究該太赫茲濾波器的傳輸特性，該多層超材料金屬結(jié)構(gòu)的互補(bǔ)結(jié)構(gòu)的傳輸特性也進(jìn)行了研究，如圖2(b)所示，發(fā)現(xiàn)在0.5－0.97 THz左右有一個寬的阻帶.因此，這種多層柔性超材料結(jié)構(gòu)以及它的互補(bǔ)結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)高性能的超寬通帶與阻帶太赫茲濾波器.為實(shí)現(xiàn)太赫茲濾波器提供了一種方法.

圖2 (a)基于DMDMD結(jié)構(gòu)的超寬帶太赫茲濾波器的傳輸譜(b)太赫茲濾波器的傳輸譜(紅色線)與互補(bǔ)結(jié)構(gòu)的傳輸譜(黑色線)Fig.2 (a)Transmission spectrum of the broadband THz bandpass filter based on the DMDMD structure(b)The transmission spectra(red solid lines)and with its complementary this structure(black solid lines).

2012年，Xueqian Zhang［35］等人設(shè)計了魚鱗形狀的兩層超材料結(jié)構(gòu)寬通帶濾波器，超材料結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，基底為高阻硅，兩層超材料方向為垂直放置，用20微米的聚酰亞胺隔離.圖4為測量與模擬的太赫茲傳輸譜線，從圖中可知，測量的3dB范圍為0.52－1.65 THz之間，帶寬約為1.13 THz，尖銳邊過渡轉(zhuǎn)變?yōu)?0dB/THz，通帶的波紋小于1dB.該寬通帶濾波器產(chǎn)生的機(jī)理主要是因為兩層超材料之間的相互耦合作用.測量傳輸曲線與模擬傳輸曲線符合的很好，實(shí)現(xiàn)了寬通帶濾波器的效果.

圖3 (a)魚鱗超材料結(jié)構(gòu)三維單元結(jié)構(gòu)示意圖(b)Z軸方向超材料結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 (Color online)(a)Three－dimensional schematic of the unit cell of the BFM(b)View of the BFM from the z axis.

圖4 (a)測量的太赫茲傳輸曲線(b)模擬太赫茲傳輸曲線Fig.4 (a)Measured spectra of spectra oft(ω)for all three BFMs(b)Corresponding simulated spectra.

2011年，N.R.Han研究了不同尺寸SRR環(huán)構(gòu)成多層超材料的傳輸特性［36］.多層超材料結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示，每一層超材料制作在100 μm的polyethylene naphthalate(PEN)薄膜上邊，該多層超材料結(jié)構(gòu)共5層.從圖6傳輸曲線可知，通過堆疊不同獨(dú)自頻率響應(yīng)的二維超材料，得到半高全寬(FWHM)約為0.38 THz共振響應(yīng)，帶寬比利用單層超材料約增加4.2倍.并且阻帶抑制低于30dB，這比單層超材料的阻帶抑制低得多.該濾波器尖銳邊過渡轉(zhuǎn)變超過100dB/THz.此優(yōu)良的傳輸特性對做太赫茲寬阻帶濾波器提供了一種有效的途徑.

圖5 (a)多層超材料結(jié)構(gòu)示意圖(b)柔性PEN薄膜照片，表明可以制作在非平面太赫茲器件(c)多層超材料結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 (a)Multi－layer metamaterials stacking illustration(b)photograph of the flexible PEN film，indicating its potential for implanting non－planar THz devices，And(c)photograph of the multi－layer metamaterials.

圖6 多層整體超材料和每一單層超材料傳輸曲線Fig.6 Transmission spectra of the overall multi－layer metamaterials and the corresponding single layer metamaterials.

為了進(jìn)一步研究多層超材料在太赫茲波段的傳輸特性，對于由相同尺寸組成的DSRR環(huán)梁蘭菊等人進(jìn)行了研究［37］，五層超材料結(jié)構(gòu)示意圖如圖7(a)所示，DSRR環(huán)層與層之間用厚度h=15μm聚酰亞胺隔離，當(dāng)入射電磁波電場方向與諧振環(huán)狹縫垂直時如圖7(b)所示，出現(xiàn)了多個諧振谷，吸收強(qiáng)度隨著層數(shù)的增加而急速增加，當(dāng)超材料的層數(shù)從1層增加到五層時，在諧振頻率0.80 THz處，諧振谷從－17dB變化到－44dB.因此，相同尺寸，相同結(jié)構(gòu)的多層超材料可以制成窄帶濾波器.

圖7 (a)多層DSRR超材料示意圖(相同尺寸構(gòu)成)(b)太赫茲波在多層超材料傳輸曲線(層數(shù)為1，3，5)，電場方向垂直狹縫Fig.7 (a)Scheme of the structure of the multi－layer DSRR metamaterials(composed with the same size)(b)Transmission spectra of THz wave in multi－layer metamaterialswith 1，3 and 5 layersrespectively，the electric field is aligned vertical to the gap － bearing side

因此，通過國內(nèi)外專家研究可知，對于多層電磁超材可以制作性能優(yōu)良的太赫茲寬通帶濾波器，也可以制作諧振很強(qiáng)的窄帶濾波器.利用相同結(jié)構(gòu)不同尺寸的多層超材料，可以提高濾波器帶寬，利用相同結(jié)構(gòu)相同尺寸的多層超材料，可以提高諧振器的強(qiáng)度，提高濾波器的Q值.多層電磁超材料為太赫茲技術(shù)的發(fā)展提供了非常有效的辦法.

2 多層電磁超材料在太赫茲吸收器方面的應(yīng)用

一般情況下，利用單層電磁超材料設(shè)計吸波器的帶寬比較窄，相對于中心工作頻率小于10%.這種窄帶吸收特性限制了人工吸波材料在器件中的廣泛運(yùn)用.而對于寬頻帶吸收器，在吸波、隱身、以及能量轉(zhuǎn)換等方面更有使用的價值.因此太赫茲寬帶吸收器的研究越來越引起人們的興趣.

2010年，葉余千等人設(shè)計了三層電磁超材料太赫茲寬帶吸收器［38］，結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示，為了拓寬吸收器的帶寬，設(shè)計的每層金屬線長度L稍微不同，各層中的共振頻率就會彼此靠近.優(yōu)化每層聚合物的厚度，使得人工吸波結(jié)構(gòu)的阻抗都能同自由空間的阻抗相匹配，從而實(shí)現(xiàn)寬帶且近乎完美的吸波.從圖9可以看出，得到了一個相對較寬的吸收帶，頻率范圍為(4.45 THz－4.95 THz)，其吸收率達(dá)到為97%以上，相對中心的吸收帶寬達(dá)到了27%.而且，三層結(jié)構(gòu)的總厚度不到入射波長的1/15.因此利用不同超材料結(jié)構(gòu)參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)寬帶吸收，拓寬太赫茲技術(shù)的應(yīng)用范圍.

圖8 三層金屬十字結(jié)構(gòu)超材料吸收器的示意圖以及相應(yīng)的幾何參數(shù)Fig.8 Schematic diagram of a 3－layer cross structure with the geometrical parameters of each layer marked on it.

圖9 (a)一層，(b)兩層，(c)三層金屬十字結(jié)構(gòu)所對應(yīng)的吸收譜曲線Fig.9 Absorption spectra for(a)1－layer cross structure(b)2－layer cross structure(c)3－layer cross structure.

圖10 (a)三層超材料吸收器平面圖(B)完整的器件橫截面圖(C)九單位多層超材料吸收器SEM圖(D)單個超寬帶吸收器SEM圖像Fig.10 (a)Plan view of the three－layer MM absorber and(b)cross section of the complete devive(c)SEM image of nine unit cells of the multilayer absorber and(d)SEMimage of a single superpixel broadband absorber.

2011年，James Grant等人同樣利用不同尺寸的三層電磁超材料結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了太赫茲寬帶吸收器［39］.超材料結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示10所示，為了得到寬帶吸收效果 同樣設(shè)計每層的金屬線長度L稍微不同，三個靠近的共振峰組合形成一個寬帶吸收譜.從圖11可以看出，得到了一個相對較寬的吸收帶，超過60%的吸收率的帶寬為1.86 THz，半高帶寬相對中心頻率為48%，為單層相對中心帶寬的2.5倍.

圖11 (a)多層超材料的實(shí)驗與模擬曲線以及每一層的吸收曲線的實(shí)驗結(jié)果(b)超寬帶吸收器的吸收光譜Fig.11 (a)Experimental and simulated(FDTD)data of the multilayer absorber.Also plotted is the experimental absorption spectrum for a single layer absorber.(b)Absorption spectra for the superpixel broadband absorber.

3 多層電磁超材料在太赫茲偏振器方面的應(yīng)用

太赫茲偏振器是太赫茲通信、雷達(dá)的必要器件.一般情況下，平面超材料不能實(shí)現(xiàn)正入射線偏振電磁波的不對稱透射，實(shí)現(xiàn)電磁波的偏振轉(zhuǎn)換，必須通過多層手性超材料來實(shí)現(xiàn).

2013年，洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗室，利用多層電磁超材料研究出超薄、平面、輕量級和寬帶極化光子器件［40］，該器件使其在太赫茲頻率的應(yīng)用成為可能，將提高安全檢查系統(tǒng)，紅外攝像機(jī)，能量收集和雷達(dá)系統(tǒng).

設(shè)計的寬帶偏振器件如圖12所示，單元偏振器件主要為線陣列和光柵組成，中間用聚酰亞胺隔離，線陣列和光柵之間的距離為33微米.從圖13看出，這種器件的線性偏振超過90%，有效的轉(zhuǎn)換效率超過50%為0.52－1.82 THz頻率之間，在1.04 THz出，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到80%以上，并且該偏振器的插入損耗特別低.

圖12 透射寬帶偏振轉(zhuǎn)換(a)超材料線性偏振單元結(jié)構(gòu)示意圖，垂直入射的x－偏振光轉(zhuǎn)換成y－偏振光(b)交叉極化的傳輸譜線，分別為實(shí)驗、模擬以及理論計算結(jié)果以及反射交叉極化的模擬曲線.Fig.12 Broadband polarization conversion in transmission(a)Schematic of the unit cellof the metamaterial linear polarization converter，in which a normally incident x－polarized wave is converted into a y－polarized one(b)Cross－polarized transmittance obtained through experimental measurements，numerical simulations，and theoreticalcalculations.Also shown is the numerically simulated copolarized reflectance.

2013年，Yi－Ju Chiang等人利用多層電磁超材料實(shí)現(xiàn)了極化偏轉(zhuǎn)［41］.設(shè)計的偏振器為超薄極化偏轉(zhuǎn)諧振器，結(jié)構(gòu)示意圖如圖13所示，單元結(jié)構(gòu)為一對非對稱的開口環(huán)諧振器和一個S形狀諧振器組成，他們之間用50微米厚的Teijin Tetoron polyethylene terephthalate(PET)隔離，總的厚度為50.4微米.測量的太赫茲信號如圖14所示，在1.04 THz

因此，利用多層電磁超材料，可以設(shè)計超薄、帶寬寬、性能更優(yōu)良的偏振器件.

圖13 (a)基于復(fù)合超材料偏振旋轉(zhuǎn)器的單元結(jié)構(gòu)示意圖(b)一對非對稱開口環(huán)諧振器(c)一個S形狀的諧振器Fig.13 (a)Unit cell of the composite－metamaterial－based UTPR(b)a pair of ASRRs(c)an SR.

圖14 (a)極化偏轉(zhuǎn)器的樣品示意圖，ASRR(一對非對稱的諧振環(huán))和SR(S形超材料)(b)測量的極化偏轉(zhuǎn)器(紅色三角形)(藍(lán)色正方形)的曲線，模擬(紅色線)(藍(lán)色線)的曲線，測量的PCR(黑色圓點(diǎn)線)與模擬的PCR(黑色線)非常的吻合.Fig.14 (a)OM images of the real UTPR sample viewed from the ASRR side and the SR side.(b)(red(blue squares)from the UTPR sample coincide with(red line)(blue line)involving the lossy PET substrate.The measuredPCR(black circles)also agrees well with the simulated one(black line).

4 多層電磁超材料在太赫茲技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展趨勢

太赫茲波段多層超材料從首次提出到現(xiàn)在經(jīng)歷了不長的時間，但是其研究成果已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，成為實(shí)現(xiàn)太赫茲功能器件的重要途徑.未來的多層電磁超材料在太赫茲技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展將朝著以下幾個方向發(fā)展.

(1)寬頻帶太赫茲濾波器、吸收器等器件的發(fā)展.目前有關(guān)基于多層電磁超材料功能器件的報道還是比較少，它將是未來電磁超材料研究的一個熱點(diǎn).設(shè)計出性能優(yōu)異的寬頻帶濾波器與吸收器等器件是發(fā)展的重要趨勢，特別是對于柔性，超薄太赫茲功能器件.

(2)太赫茲偏振器件的發(fā)展.設(shè)計超薄，寬帶，高效率的太赫茲偏振轉(zhuǎn)化器件同樣是未來的發(fā)展方向.

(3)各種各樣的太赫茲功能器件已經(jīng)被實(shí)驗驗證可行性，但是最重要的是即將目前的各種功能器件推向?qū)嶋H應(yīng)用，是該方向的難點(diǎn)，也是重要的發(fā)展趨勢.

5 總結(jié)

由于缺乏用于太赫茲的天然材料，以超材料為基礎(chǔ)的器件在太赫茲頻率范圍內(nèi)的應(yīng)用具有特別的吸引力.對于太赫茲濾波器、吸收器器件，利用多層電磁超材料、低介電常數(shù)作為基底設(shè)計的功能器件可以克服非常有限的帶寬和高損耗等缺陷，對于太赫茲偏振器件，可以實(shí)現(xiàn)寬帶、高效率的偏振轉(zhuǎn)化.總之，基于多層電磁超材料的太赫茲器件已經(jīng)有了較大的進(jìn)展，功能器件的發(fā)展對于太赫茲技術(shù)早日用于實(shí)際中有很大的幫助，更有利于發(fā)展太赫茲在通訊、成像、雷達(dá)及醫(yī)學(xué)方面的發(fā)展.

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