基于超材料的模式轉(zhuǎn)換

李泉 羅雨琪 劉姍姍 王爽 陳泰

【摘 要】隨著太赫茲技術的不斷發(fā)展，與其相應的功能器件也被科學工作者重視起來。論文結(jié)合亞波長超材料的特性，設計了一種可工作在太赫茲波段的超材料模式轉(zhuǎn)換器件。當中心不連接時，該器件僅產(chǎn)生位于高頻的偶極子單諧振。當中心橫向位置被連接起來，則產(chǎn)生高低頻雙諧振。論文為太赫茲模式轉(zhuǎn)換器件、傳感器件乃至非線性器件的設計提供了新思路，具有較大潛在應用價值。

【Abstract】With the continuous development of terahertz technology， its corresponding functional devices are also valued by scientific workers. In this paper， a kind of metamaterial mode conversion device which can work in the terahertz band is designed in combination with the characteristics of sub-wavelength metastructures. When the center is not connected， the device only generates a single dipole resonance at a high frequency. When the central transverse position is connected， double resonances at both high and low frequency are generated. The paper provides a new idea for the design of terahertz mode switching devices， sensors， and even nonlinear devices， and has a great potential in applications.

【關鍵詞】太赫茲;超材料;模式轉(zhuǎn)換

【Keywords】terahertz; metamaterial; mode conversion

【中圖分類號】TN624? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】1673-1069（2019）08-0145-02

1 引言

超材料，作為一種能實現(xiàn)自然界材料所不能實現(xiàn)的某些功能的特殊人工材料，近幾年受到越來越多的關注。人們可以按照自我意愿設計超材料的周期性結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)對電磁波的控制。在太赫茲波段，許多功能材料就是基于超材料制備的，如濾波器、傳感器、轉(zhuǎn)換器、非線性器件等[1-3]。本文應用超材料特性，提出一種可以工作在太赫茲波段的模式轉(zhuǎn)換器件。

2 結(jié)構(gòu)設計與仿真

該結(jié)構(gòu)單元共有兩層，超材料中心截掉半徑為r=5μm的圓后與結(jié)構(gòu)中心連接（r=0μm）的透射系數(shù)，超材料結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，第一層為硅基底結(jié)構(gòu)，第二層為金屬材料結(jié)構(gòu)，此處采用焦耳損耗很小的鋁作為本結(jié)構(gòu)的金屬材料。金屬結(jié)構(gòu)的單元結(jié)構(gòu)尺寸如下：單元結(jié)構(gòu)的周期為100μm×100μm，基底厚度為630μm。金屬結(jié)構(gòu)的長為a=40μm，寬為b=40μm，金屬線寬為w=4.5μm，開口間隔為g=5μm，中間所截圓的半徑為r=5μm，金屬結(jié)構(gòu)的厚度為t=200nm。

通過FDTD對本結(jié)構(gòu)進行時域仿真，我們研究了結(jié)構(gòu)的特性。在仿真中，金屬的電導率設置為3.72×107S/m，基底設置為介電常數(shù)為11.9的無損耗的硅材料。X和Y方向都設置為周期性邊界條件。太赫茲被設置為平面波，且垂直入射到樣品上。結(jié)果如圖1（a）所示，該結(jié)構(gòu)中心截掉的圓半徑為r=5時，太赫茲透射頻譜中只有一個位于高頻的比較明顯的諧振出現(xiàn)，諧振頻率為～2.4THz，該諧振為偶極子諧振。偶極子諧振是由金屬結(jié)構(gòu)中類偶極子表面電流引起，該諧振的產(chǎn)生與結(jié)構(gòu)的對稱性無關，有時也被稱為明模。當中心部分被全部連接起來時，即r=0時，除了高頻的偶極子諧振外，在低頻處出現(xiàn)了另外一個諧振，諧振頻率為～0.9THz，該諧振為Fano諧振。

為了探究中心間隔處的連接變化對諧振曲線的影響，用金屬做中間的局部連接來觀察在不同的連接方式下頻譜如何發(fā)生變化。如圖1（b）黑色曲線所示，當中間只有一半部分被橫向局部連接時，仍然出現(xiàn)了高低頻兩個諧振，高頻諧振較中間全部連接時變化不大，低頻諧振變得更加尖銳。如圖1（b）紅色曲線所示，當中間上下兩部分都被橫向局部連接時，兩個諧振跟中間全部連接的響應基本一致。因此，可以得出結(jié)論：該種超材料結(jié)構(gòu)的連接不受連接面積的影響，只要有橫向部分連接，即可同時產(chǎn)生兩個諧振。

為了進一步探究兩種諧振的內(nèi)在機理，分別仿真超材料結(jié)構(gòu)中心連接時，偶極子諧振處（f=2.4THz）的表面電流分布和中心截掉半徑為r=5μm的圓后，F(xiàn)ano諧振處（f=0.9THz）的表面電流分布，如圖2所示。對比兩種結(jié)構(gòu)的表面電流圖，發(fā)現(xiàn)無中心間隔時，在結(jié)構(gòu)的上下兩端形成了對稱的電流回路，而電流的形成本質(zhì)上是電荷的定向移動，因此，在電流的始端應當會有正電荷集聚，而末端應當會有負電荷集聚，該異號電荷的分布會在間隔處產(chǎn)生電容現(xiàn)象，導致強波谷偶極子諧振的出現(xiàn)。而有中心間隔時，電流分布在結(jié)構(gòu)的四個角上，這種電流分布會在四個頂點處產(chǎn)生電荷集聚，但強度不大，這種電荷集聚誘導產(chǎn)生Fano諧振。

從以上的結(jié)果和分析中可以看出，通過控制金屬結(jié)構(gòu)中心縫隙處連接與否即可控制偶極子諧振與Fano諧振之間的模式轉(zhuǎn)換。這種模式轉(zhuǎn)換超材料的典型應用主要包括以下兩種：①可以應用在太赫茲傳感器的設計中，通過在中心處添加具有半導體或者金屬性質(zhì)的被探測物質(zhì)，超材料結(jié)構(gòu)的諧振就會發(fā)生相應的變化，從而分析被探測物質(zhì)的種類和性質(zhì);②結(jié)構(gòu)中的電荷集聚現(xiàn)象將一定程度上產(chǎn)生場增強效應，該效應有利于實現(xiàn)非線性效應，因此，該設計也可以應用到太赫茲非線性超材料的設計中。

3 結(jié)論

本文通過改變超材料結(jié)構(gòu)的連接關系，實現(xiàn)了由偶極子單模式與偶機制模式和Fano諧振模式雙模式之間的轉(zhuǎn)換，且發(fā)現(xiàn)實現(xiàn)雙模式時超材料的連接不受連接面積的影響。該設計為模式轉(zhuǎn)換超材料的設計提供了一種新思路，同時，該思路也有利于實現(xiàn)太赫茲傳感器和太赫茲非線性超材料。

【參考文獻】

【1】Zhang， X， Gu， J， Cao， W， et al. Bilayer-Fish-Scale Ultrabroad Terahertz Bandpass Filter[J]. Opt. Lett， 2012（37）：906-908.

【2】Singh， R， Cao， W， Al-Naib， I， et al. Withayachumnankul， W.; Zhang， W. Ultrasensitive Terahertz Sensing with High-Q Fano Resonances in Metasurfaces[J]. Appl. Phys. Lett， 2014（105）：171101.

【3】Li， S， Nugraha， P. S. Su， X. et al. Terahertz Electric Field Modulated Mode Coupling in Graphene-Metal Hybrid Metamaterials[J]. Opt. Express，2019（27）：2317-2326.