太赫茲超材料吸收器的機(jī)理及應(yīng)用研究.pdf

1、最近20年，與超材料領(lǐng)域相關(guān)的研究吸引了廣大科研工作者的極大興趣。這是由于基于超材料的亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)具有自然界中所不具有的奇異的特性，比如負(fù)折射率材料，隱身，和超透鏡。然而，由于大多數(shù)設(shè)計(jì)的超材料結(jié)構(gòu)都是金屬共振的結(jié)構(gòu)，因此所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的吸收損耗是不可避免的。這種吸收損失會(huì)極大的降低它們的共振性能。后來(lái)人們提出了多種新穎的方法來(lái)克服這種損失。實(shí)際上，所有的事情都是雙面的。對(duì)于一些特定的結(jié)構(gòu)（比如三維的金屬-介質(zhì)-金屬夾層結(jié)構(gòu)），這種結(jié)構(gòu)的吸收

2、不但有用而且還可以明顯地增加。因此，最近幾年，關(guān)于超材料完美吸收（或超材料吸收器）的研究同樣得到了人們的廣泛關(guān)注。本文基于FDTD的計(jì)算方法理論研究了幾種亞波長(zhǎng)的超材料結(jié)構(gòu)在太赫茲（THz）波段的吸收特性，得到了一些有意義的結(jié)果。
　　本文的主要工作可以簡(jiǎn)單的概括為如下三個(gè)部分：
　　多帶或?qū)拵У奶掌澇牧衔掌鳎捍瞬糠殖尸F(xiàn)了五種不同的太赫茲超材料吸收器。一、理論研究了具有多層相同尺寸金屬結(jié)構(gòu)堆積的寬帶太赫茲超材料吸收器。

3、研究發(fā)現(xiàn)，大于99％吸收的共振帶寬可以高達(dá)0.3 THz，且它的相對(duì)吸收帶寬可高達(dá)42%。此外，在較大的入射角度情況下，這種寬帶的吸收特性仍能保持較高的吸收。此寬帶吸收器的共振機(jī)理主要源于層與層之間的相互作用。進(jìn)一步的，我們提出了一個(gè)雜化的電荷分布模型來(lái)分析此共振帶寬的物理起源。我們的理論研究為利用相同長(zhǎng)度的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)寬帶的超材料吸收器提供了一種新的思路。二、研究了一個(gè)簡(jiǎn)單的堆積狀結(jié)構(gòu)具有超寬吸收以及極化不敏感的吸收特性的新穎超材料吸

4、收器，此吸收器僅有2個(gè)金屬層堆積而成。相比于以前報(bào)道的需要至少堆積20個(gè)不同大小的金屬層結(jié)構(gòu)，所設(shè)計(jì)的吸收器具有易于構(gòu)造和結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，所設(shè)計(jì)的吸收器具有帶寬可調(diào)的特性。三、研究了一個(gè)由共面的雙圓環(huán)構(gòu)成的寬帶和極化不敏感的太赫茲超材料吸收器。結(jié)果表明，此吸收器的相對(duì)吸收帶寬可高達(dá)42%，這是單個(gè)圓環(huán)結(jié)構(gòu)的2倍。且當(dāng)入射光的角度偏轉(zhuǎn)為60度時(shí)，它的寬帶吸收特性仍能保持較高的吸收。進(jìn)一步的，我們提出了一個(gè)新穎的共振雜化理

5、論來(lái)研究這兩個(gè)圓環(huán)之間的相互作用。相比于以前提出的堆積狀的寬帶吸收器結(jié)構(gòu)，所設(shè)計(jì)的平面寬帶吸收器更具有實(shí)際性的意義。四、提出了一種以單個(gè)金屬條結(jié)構(gòu)為諧振單元的新型雙帶太赫茲超材料吸收器。研究發(fā)現(xiàn)，此吸收器不僅具有一個(gè)接近完美吸收的基模共振吸收峰，而且一個(gè)明顯的高階共振同樣具有接近1的吸收。更加重要的是，高階共振吸收峰的品質(zhì)因子（Q）和品質(zhì)因數(shù)（FOM）均明顯優(yōu)于基模共振吸收峰，這就使得所提出的吸收器在生物監(jiān)測(cè)和傳感方面具有較大的應(yīng)用潛力

6、。五、設(shè)計(jì)了一種以四個(gè)個(gè)共面同心圓環(huán)結(jié)構(gòu)為晶格的四帶太赫茲超材料吸收器。結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)具有四個(gè)獨(dú)立的吸收峰，且這些吸收峰的吸收效率平均超過(guò)97%。進(jìn)一步的研究表明，各個(gè)吸收峰的共振頻率可以通過(guò)改變相應(yīng)金屬圓環(huán)的尺寸而靈活的控制。此外，這個(gè)多帶的設(shè)計(jì)理念適用于其他類型的吸收器結(jié)構(gòu)，且這些結(jié)構(gòu)可以按照比例的縮放而工作在其他的頻率范圍。
　　可調(diào)的太赫茲超材料吸收器：此部分設(shè)計(jì)了三種可調(diào)的太赫茲超材料吸收器。一、研究了一款機(jī)械頻率連續(xù)

7、可調(diào)（MEMS）的太赫茲超材料吸收器，結(jié)果顯示，通過(guò)連續(xù)移動(dòng)上下兩個(gè)金屬層之間的相對(duì)位置，我們便可以獲得一個(gè)連續(xù)可調(diào)的共振吸收峰。特別地，通過(guò)使用類似的方法我們還實(shí)現(xiàn)了雙帶頻率可調(diào)，三帶頻率可調(diào)甚至寬帶頻率可調(diào)的超材料吸收器。這種頻率連續(xù)可調(diào)的超材料吸收器在傳感，檢測(cè)和成像方面具有潛在的應(yīng)用前景。二、研究了具有兩個(gè)同心正方形結(jié)構(gòu)組成的復(fù)合超材料結(jié)構(gòu)，并且從理論上研究了它的光學(xué)性質(zhì)。發(fā)現(xiàn)當(dāng)這兩個(gè)正方形結(jié)構(gòu)的中心位置出現(xiàn)偏離時(shí)，吸收峰的數(shù)量

8、會(huì)隨著這兩個(gè)方形結(jié)構(gòu)的相對(duì)位置的變化而具有不同的性質(zhì)。特別地，整個(gè)復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸收帶寬可以由移動(dòng)這兩個(gè)方形結(jié)構(gòu)的相對(duì)位置而決定。我們還證明了光的入射角度對(duì)所研究的復(fù)合結(jié)構(gòu)共振帶寬的影響。三、理論研究了一種新穎的工作在深亞波長(zhǎng)尺寸的頻率連續(xù)可調(diào)的太赫茲超材料吸收器。研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)改變吸收體的工作溫度，我們獲得了高達(dá)80.2%頻率調(diào)整的超材料吸收器，且它的吸收強(qiáng)度的變化是可以忽略的。共振頻率的移動(dòng)主要源自于中間介質(zhì)層折射率對(duì)溫度的依賴關(guān)系。特

9、別地，在0.111 THz時(shí)，此吸收器的晶格周期和諧振波長(zhǎng)之間的比值接近1/36，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于以前報(bào)道的超材料吸收器。因此提出的超材料吸收器可以認(rèn)為是工作在深亞波長(zhǎng)尺寸下的。此外，這種設(shè)計(jì)理念適用于其他類型的吸收器結(jié)構(gòu)，像金屬叉絲和金屬圓板結(jié)構(gòu)等。我們的研究為利用溫度相關(guān)的介電材料設(shè)計(jì)新型的可調(diào)的電光器件提供了一種新的思路。
　　低電導(dǎo)的合金超材料吸收器：此部分設(shè)計(jì)了兩種低電導(dǎo)的太赫茲超材料吸收器。一、我們首先研究了具有低電導(dǎo)的復(fù)合

10、超材料結(jié)構(gòu)，并且從理論上分析了它的光學(xué)性質(zhì)。相比于傳統(tǒng)的高電導(dǎo)（以金為例）的超材料吸收器，設(shè)計(jì)的低電導(dǎo)的合金吸收器具有三方面的優(yōu)勢(shì)：第一也是最重要的，它的相對(duì)吸收帶寬可高達(dá)38.8%，這大約是高電導(dǎo)（Au）超材料吸收器的3.6倍；第二，入射光的能量大部分局域在合金層中，這有利于增加中間介質(zhì)層的選擇范圍；第三，可以替代貴金屬材料的使用，從而減少對(duì)環(huán)境的污染。因此，我們認(rèn)為采用低電導(dǎo)的合金材料可以完全替代由以貴金屬為構(gòu)造材料的超材料吸收器。

11、進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，超寬帶的太赫茲超材料吸收器可以通過(guò)堆積3層不同大小的合金板狀結(jié)構(gòu)而獲得，且此吸收器的相對(duì)吸收帶寬可提高到70.4%，遠(yuǎn)大于以前報(bào)道的超寬帶超材料吸收器。我們的研究可為利用低電導(dǎo)的合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造寬帶或超寬帶的超材料吸收器提供理論支持并具指導(dǎo)意義。二、研究了一個(gè)僅有一個(gè)正方形低電導(dǎo)的合金結(jié)構(gòu)形成的共面太赫茲超材料吸收器。結(jié)果顯示，該吸收器大于80%吸收的相對(duì)吸收帶寬可以高達(dá)101.2%，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于以前報(bào)道的結(jié)果。該吸收