基于手性超材料的太赫茲波非對稱傳輸的研究

王鋒, 劉星辰, 王政平, 史金輝

(1.哈爾濱工程大學 材料科學與化學工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001; 2.哈爾濱工程大學 理學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

基于手性超材料的太赫茲波非對稱傳輸的研究

王鋒1,2, 劉星辰2, 王政平2, 史金輝2

(1.哈爾濱工程大學 材料科學與化學工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001; 2.哈爾濱工程大學 理學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

摘要：為了研究人工電磁超材料的太赫茲波非對稱傳輸特性，設計了一種基于雙層連續U形結構的人工電磁超材料，并利用有限元法數值仿真技術研究分析了其非對稱傳輸特性，結果表明在諧振頻率為2.9 THz時非對稱傳輸系數可達0.77，由此可知此結構在太赫茲波段具有較好的非對稱傳輸特性；同時對其結構參數進行了優化，選取出合理的結構參數以獲得優異的超材料性能?；陔p層連續U形結構人工電磁超材料的太赫茲非對稱傳輸器具有結構簡單、成本低、制備容易等優點，對實現太赫茲濾波器、太赫茲開關等超材料功能器件具有重大意義。

關鍵詞：電磁超材料；數值仿真；非對稱傳輸；太赫茲波；手性；結構參數

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20151106.1047.004.html

王政平(1949-), 男, 教授,博士生導師;

史金輝(1979-), 男, 副教授,博士.

2001年，科學家首次制作出在微波波段具有負介電常數[1]和負磁導率[2]的超材料(metamaterials)，證明了負折射率現象[3]的存在，自此超材料在國際電磁科學領域引起了廣泛的關注[4-6]。太赫茲(THz)波位于毫米波與紅外波之間，是宏觀電磁理論向微觀量子理論過渡的區域，也是電子學向光子學的過渡區域，有重要的學術和應用研究價值[7-12]。長期以來，科研人員一直在尋求可以控制太赫茲波傳輸的器件。然而常規材料在太赫茲波段具有較弱的電磁響應，特別是磁響應，使得人們在研制太赫茲器件，實現對太赫茲波的探測和操縱時面臨很多限制。超材料的出現恰好彌補了這一缺憾。近幾年，太赫茲波超材料的研究取得了一系列重要的理論和實驗成果，基于超材料的太赫茲開關、調制器、移相器、傳感器、探測器、濾波器、吸波器研究陸續出現，顯示了超材料在太赫茲技術中的巨大應用潛力[13-14]。

手性材料中線偏振非對稱傳輸現象[15]的發現對偏振功能器件研究具有十分重要的意義，研究者在雙層SRR[16]、雙層魚鱗金屬線[17]等眾多手性結構[18-21]中證明了線偏振波非對稱傳輸現象的存在。非對稱傳輸現象為太赫茲偏振波傳輸的方向調控提供了新的途徑，對實現太赫茲隔離器、太赫茲二極管、太赫茲開關等超材料功能器件具有重大意義。超材料中的非對稱傳輸現象自發現以來，相關研究受到了廣泛關注。但是目前這方面研究多局限于圓偏振，有關太赫茲線偏振波轉換和非對稱傳輸現象的研究較少。本文設計了一種可以實現太赫茲波非對稱傳輸的超材料功能器件，并分析了其結構參數對器件特性的影響。

1超材料結構設計

本文所設計器件為雙層連續U形結構，如圖1所示，雙層連續U形由中間的基底與雙層連續U形金屬線構成，由于連續U形的金屬線看起來像是一片片的魚鱗，因此也被稱為魚鱗金屬線結構。其特征在于兩層連續U形的金屬線基本單元結構尺寸相同，結構單元之間的旋轉角為90°，由于單層的U型結構不具備二維旋轉對稱性，而增加了旋轉了90°的結構單元后，將產生手性特性，且破壞了z方向的對稱性，因此這種結構將具備線偏振非對稱傳輸特性[18-19,22]。超材料單元的單層尺寸結構為:單元周期l=75m，直金屬條邊長a=24m，金屬條寬度w=7m，金屬條內徑r1=15.25m，外徑r2=22.25m；基底厚度t=5m，如圖1(a)所示。超材料單元兩層間的幾何結構關系如圖1(b)所示。超材料器件的整體效果如圖1(c)所示，為保證圖1(c)中各魚鱗結構單元相同，需滿足r1+ r2=l/2，r2-r1=w。

圖1　雙層連續U形結構Fig.1　Double layer continuous U-shaped structure

2數值仿真研究

利用CST Microwave Studio仿真軟件對所設計結構進行了數值仿真研究，以便了解本文所設計器件的電磁特性以及結構參數對非對稱傳輸的影響。數值分析時，所選頻率區間設置為2.5~3.5 THz，在材料設置上，金屬材料采用金，厚度設為200 nm，基底可以采用單晶硅或者有機高分子聚合物介質材料，為了方便起見，不考慮介質損耗，U形結構的周圍環境設置為空氣。經數值分析得到器件的透射譜，如圖2所示。圖2中txx、txy、tyx、tyy分別代表透射矩陣中的4個元素，其中txy與tyx為傳輸時的交叉偏振轉換率， txx與tyy為傳輸時的同偏振傳輸系數。

由圖2可以看出，雙層連續U形結構在2.5~3.5 THz偏振轉換率txy≠tyx，顯示出良好的非對稱傳輸特性。其中前向傳輸系數txy在2.9 THz處達到最大值0.88，而這時的前向傳輸系數tyx只有0.1，前向傳輸系數txx和tyy也都在0.3左右。這表明，當一束頻率為2.9 THz的y偏振波沿-z方向正入射到結構表面時，大部分電磁波耦合到第1層金屬結構中，然后由于兩層金屬結構之間的交叉耦合變為x偏振波出射。而當這束電磁波沿+z方向入射到結構表面時，就不能耦合到結構中，大部分電磁波被反射回去，以至于透射率很低，這就導致了線偏振波的非對稱傳輸。

圖2　雙層連續U形結構前向傳輸的仿真結果Fig.2　Simulation results of the forward transmission of the double layer continuous U-shaped structure

圖3　雙層連續U形結構非對稱傳輸系數Fig.3　Asymmetric transmission coefficients of the double layer continuous U-shaped structure

3器件結構參數對傳輸特性的影響

通過對雙層連續U形結構參數，如直金屬條邊長a、彎金屬條內徑r1、基底厚度t等對非對稱傳輸特性的影響進行分析，以便選擇合理的器件結構參數來提高超材料的性能。

首先分析直金屬條邊長a改變所帶來的影響。令a分別取20、22、24、26、28m，此時結構的非對稱傳輸系數如圖4所示。由圖4可以看出， 隨著直金屬條邊長a的增加，諧振頻率紅移，當a分別取20、22、24、26、28m時，諧振頻率對應為3.12、3.01、2.90、2.85、2.71 THz；諧振頻率處的峰值也隨直金屬條邊長a的增加而增加，當a=28m時取得最大值0.81，此時非對稱傳輸和線偏振轉換效果最佳。

圖4　結構直金屬條邊長a變化時的非對稱傳輸系數曲線Fig.4　Curves of the asymmetric transmission coefficients corresponding to different a (length of the straight metal bar of the structure)

然后，分析彎金屬條內徑r1改變所帶來的影響。令r1分別取14.25、14.75、15.25、15.75、16.25m，相應的直金屬條寬度w分別為9、8、7、6、5m，這時結構的非對稱傳輸系數如圖5所示。由圖5可以看出， 隨著彎金屬條內徑r1的增加，諧振頻率藍移，當r1分別取14.25、14.75、15.25、15.75、16.25m時，諧振頻率分別對應為2.88、2.89、2.90、2.92、2.95 THz；諧振頻率處的峰值隨彎金屬條內徑r1的增加而減小，r1=14.25m時取得最大值0.88，此時非對稱傳輸和線偏振轉換效果最佳。

圖5　結構彎金屬條內徑r1變化時的非對稱傳輸系數曲線Fig.5　Curves of the asymmetric transmission coefficients corresponding to different r1 (radius of the curve metal bar of the structure)

最后分析基底厚度t改變所帶來的影響。令t分別取3、4、5、6、7m，這時結構的非對稱傳輸系數如圖6所示。由圖6可以看出， 隨著基底厚度t的增加，諧振頻率藍移，當t分別取3、4、5、 6、7m時，諧振頻率對應為2.71、2.80、2.90、2.97、3.03 THz；諧振頻率處的峰值隨彎金屬條內徑r1的增加變化并不一致，而是先減小后又增加，當t=3m時取得最大值0.86，此時非對稱傳輸和線偏振轉換效果最佳。

圖6　結構基底厚度t變化時的非對稱傳輸系數曲線Fig.6　Curves of the asymmetric transmission coefficients corresponding to different t (thickness of the basement of the structure)

由以上分析可以看出，雙層連續U結構的諧振頻率和非對稱傳輸特性主要由結構參數決定。因此，合理的調整結構參數可以獲得良好的效果。

4結束語

本文通過數值研究分析了雙層連續U形結構的非對稱傳輸特性，由于單層的U型結構不具備二維旋轉對稱性，而增加了旋轉了90°的結構單元后，將產生手性特性，且破壞了z方向的對稱性，因此這種結構將具備線偏振非對稱傳輸特性。經分析計算可知，在諧振頻率為2.9 THz時非對稱傳輸系數可達0.77，結果表明此結構具有較好的非對稱傳輸特性。同時分析討論了結構參數對其非對稱傳輸特性的影響，隨著直金屬條邊長a的增加，諧振頻率紅移；隨著彎金屬條內徑r1的增加，諧振頻率藍移；隨著基底厚度t的增加，諧振頻率也將藍移。由此可以根據具體應用需求選取出合理的直金屬條邊長、彎金屬條內徑及基底厚度，以獲得優異的超材料性能。工作于太赫茲波段的基于雙層連續U形結構的人工電磁超材料，有望制作成太赫茲非對稱傳輸器，可以通過其結構參數來調整器件性能，這樣的器件具有結構簡單、制備容易、成本低等優點，而且利用現有的微、納米加工技術可以輕松實現。本文的研究結果對實現太赫茲濾波器、太赫茲偏振功能器件、太赫茲開關等超材料功能器件具有重大意義。

參考文獻：

[1]PENDRY J B, HOLDEN A J, STEWART W J, et al. Extremely low frequency plasmons in metallic mesostructures[J]. Physical Review Letters, 1996, 76(25): 4773-4776.

[2]PENDRY J B, HOLDEN A J, ROBBINS D J, et al. Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1999, 47(11): 2075-2084.

[3]SHELBY R A, SMITH D R, SCHULTZ S. Experimental verification of a negative index of refraction[J]. Science, 2001, 292(5514): 77-79.

[4]FALCONE F, LOPETEGI T, LASO M A G, et al. Babinet principle applied to the design of metasurfaces and metamaterials[J]. Physical Review Letters, 2004, 93(19): 197401.

[5]YU Nanfang, GENEVET P, KATS M A, et al. Light propagation with phase discontinuities: generalized laws of reflection and refraction[J]. Science, 2011, 334(6054): 333-337.

[6]NI Xingjie, ISHII S, KILDISHEV A V, et al. Ultra-thin, planar, babinet-inverted plasmonic metalenses[J]. Light: Science & Applications, 2013, 2(4): e72.

[7]薛超敏, 劉建勝, 鄭錚, 等. 太赫茲濾波器[J]. 激光與光子學進展, 2008, 45(1): 43-49.XUE Chaomin, LIU Jiansheng, ZHENG Zheng, et al. Terahertz filters[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2008, 45(1): 43-49.

[8]YEN T J, PADILLA W J, FANG N, et al. Terahertz magnetic response from artificial materials[J]. Science, 2004, 303(5663): 1494-1496.

[9]CHEN H T, PADILLA W J, ZIDE J M O, et al. Active terahertz metamaterial devices[J]. Nature, 2006, 444(7119): 597-600.

[10]AL-NAIB I A I, JANSEN C, BORN N, et al. Polarization and angle independent terahertz metamaterials with high Q-factors[J]. Applied Physics Letters, 2011, 98(9): 091107.

[11]WEN Q Y, ZHANG H W, XIE Y S, et al. Dual band terahertz metamaterial absorber: Design, fabrication, and characterization[J]. Applied Physics Letters, 2009, 95(24): 241111.

[12]SHEN N H, MASSAOUTI M, GOKKAVAS M, et al. Optically implemented broadband blue-shift switch in the terahertz regime[J]. Physical Review Letters, 2011, 106(3): 037403.

[13]AL-NAIB I A I, JANSEN C, KOCH M. Thin-film sensing with planar asymmetric metamaterial resonators[J]. Applied Physics Letters, 2008, 93(8): 083507.

[14]SINGH R, Al-NAIB I A I, KOCH M, et al. Asymmetric planar terahertz metamaterials[J]. Optics Express, 2010, 18(12): 13044-13050.

[15]FEDOTOV V A, MLADYONOV P L, PROSVIRNIN S L, et al. Asymmetric propagation of electromagnetic waves through a planar chiral structure[J]. Physical Review Letters, 2006, 97(16): 167401.

[16]HUANG C, FENG Y J, ZHAO J M, et al. Asymmetric electromagnetic wave transmission of linear polarization via polarization conversion through chiral metamaterial structures[J]. Physical Review B, 2012, 85(19): 195131.

[17]SHI J H, ZHU Z, MA H F, et al. Tunable symmetric and asymmetric resonances in an asymmetrical split-ring metamaterial[J]. Journal of Applied Physics, 2012, 112(7): 073522.

[18]HUANG Ci, FENG Yijun, ZHAO Junming, et al. Asymmetric electromagnetic wave transmission of linear polarization via polarization conversion through chiral metamaterial structures[J]. Physical Review B, 2012, 85(19): 195131.

[19]HAN Jin, LI Hongqiang, FAN Yuancheng, et al. An ultrathin twist-structure polarization transformer based on fish-scale metallic wires[J]. Applied Physics Letters, 2011, 98(15): 151908.

[20]MUTLU M, AKOSMAN A E, SEREBRYANNIKOV A E, et al. Diodelike asymmetric transmission of linearly polarized waves using magnetoelectric coupling and electromagnetic wave tunneling[J]. Physical Review Letters, 2012, 108(21): 213905.

[21]SHI Jinhui, LIU Xingchen, YU Shengwu, et al. Dual-band asymmetric transmission of linear polarization in bilayered chiral metamaterial[J]. Applied Physics Letters, 2013, 102(19): 191905.

[22]MENZEL C, HELGERT C, ROCKSTUHL C, et al. Asymmetric transmission of linearly polarized light at optical metamaterials[J]. Physical Review Letters, 2010, 104(25): 253902.

A study of asymmetric transmission of

terahertz waves based on chiral metamaterials

WANG Feng1,2, LIU Xingchen1, WANG Zhengping1, SHI Jinhui1

(1. College of Materials Science and Chemical Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China; 2. College of

Science, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Abstract：In order to study the THz waves asymmetric transmission characteristics of artificial electromagnetic metamaterials, a metamaterial was designed and constructed in the form of a bilayered continuous U-shaped structure. Its THz waves asymmetric transmission characteristics were then analyzed using finite element simulation. The results show that the asymmetric transmission coefficient can reach 0.77 at around 2.9 THz, with good asymmetric transmission characteristics in the THz waves frequencies. Furthermore, structural parameters of the metamaterial were optimized to obtain promising performance. The THz waves asymmetric transmission device has many advantages, such as simple structure, low cost and easy fabrication. It could provide an important opportunity for developing various metamaterial-based functional devices, for instance, THz waves filters and switches.

Keywords：electromagnetic metamaterial; numerical simulation; asymmetric transmission; THz waves; chirality; structural parameter

通信作者：史金輝,E-mail:shijinhui@hrbeu.edu.cn.

作者簡介：王鋒(1980-), 男, 講師,博士研究生；

基金項目：國家自然科學基金資助項目(61201083).

收稿日期：2015-01-29.網絡出版日期：2015-11-06.

中圖分類號：O431

文獻標志碼：A

文章編號：1006-7043(2015)12-1638-04

doi:10.11990/jheu.201501046