關于太赫茲超材料任意排列耦合的研究

景輝輝 王靜宜 韓家廣

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2016.22.045

摘 要：在太赫茲波段，通過對周期性結構的超材料共振進行分析研究，利用軟件對其結構進行數值模擬，實驗驗證得到結果。為了了解加工過程或者使用中產生結構的旋轉對太赫茲譜線透過率的影響以及其本身單元結構的耦合，我們人為地改變了樣品的周期性，使其結構從周期性變為無序進行研究。使用的方法是切割樣品，再對切割的小樣品進行任意排列，破壞其有序性。通過太赫茲時域光譜系統進行實驗對比分析與研究。進而對單元結構間耦合作用進行闡述。

關鍵詞：超材料 耦合 非周期性

中圖分類號：TB33 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）08（a）-0045-02

超材料是一種特殊的人工復合材料，是一種新的途徑來增強對材料的任意設計，控制電磁波[1-3]。其物理性質主要不是取決于化學組成，而是由其內部單元決定，這種內部單元結構如同一般材料的分子原子。超材料具有獨特的電磁性質以及能產生特殊的物理性質。我們所熟悉的左手射率材料就屬于超材料的一種。

太赫茲波段的研究正在迅猛發展，由于其有著巨大的應用前景，如，在生物醫學、安全檢測、通信等領域方面。在太赫茲波段下超材料的研究正在逐漸興起和發展，對太赫茲能實現各種不尋常的功能器件具有重要的意義。包括太赫茲隱身器件，調制器，超透鏡，微波天線，理想吸收體，傳感器等[4-6]。

1 模擬與實驗

超材料結構單元的設計是一種類似/＼型的共振器。通過使用光刻技術將200 nm的Al光刻在640 μm的Si基底上，金屬Al結構如圖1所示，即3個圓處于等邊三角形中心，三者用兩金屬條連接組合成一個單元。Al的電導率為= S/m，半導體Si介電常數=11.78。周期性單元結構沿著x和y方向都是150 μm。且樣品大小為15 mm×15 mm。

模擬仿真采用商業軟件CST Microwave Studio來實現仿真模擬結果。由于樣品不完全對稱，太赫茲波的電場方向分別在x，y上透射，其透射光譜將對應不同的結果。研究電場沿著y方向時樣品的透射光譜。此外分別對樣品旋轉30°、45°、60°、90°，進行仿真模擬，可以得到新的不同的共振光譜。如圖2樣品旋轉后的結構以及模擬結果所示。

圖2分別畫出了在不同的旋轉角度下樣品的放置。當樣品旋轉角度為零時，有一個幅值較大的共振，在0.56 THz[7]。此時電場的方向沿著y軸，通過表面電流的分布來分析，可以把/＼型共振器結構簡化為一個有一定等效長度和寬度的金屬棒，類似于電偶極子共振，其共振頻率與等效長度和寬度有關。當樣品偏離零度有一定的小角度時，共振頻率譜線出現了新的變化，0.56 THz共振頻率處幅值逐漸減小，在0.37 THz頻率處出現了幅值較小的共振，此時有一定旋轉角度的樣品在電場y軸下可以等效為一個開口金屬環，類似于LC振蕩，其共振頻率與結構本身的參數有關。隨著樣品角度的旋轉，共振幅值在0.37 THz頻率處不斷增強，在0.56 THz處不斷減弱，直至消失。

考慮到0.56 THz和0.37 THz是兩種性質不同的共振激發，在與太赫茲波相互作用時，可以同時存在于樣品中，樣品的太赫茲透過率譜線就是這兩種共振相互作用耦合的結果。對應于樣品結構的不同或者角度的不同，兩種共振所占的比例不同，直接影響了兩種共振幅值的變化。

實驗中我們采用太赫茲時域光譜系統。所使用的光路為豎直的穿過樣品，樣品放置在比色皿內。對樣品旋轉不同角度，獲得太赫茲透過率譜線，實驗中樣品的透過率曲線隨著旋轉角度的變化與模擬結果一致，很好地驗證了模擬結果。

上述情況都是基于周期性樣品結構，單元結構的角度變化，則透射譜線也將改變。若是在加工過程或者使用中產生結構的扭曲和改變，對太赫茲透過率的譜線以及其本身單元結構的耦合有影響，因而研究非周期的性質有著重要的意義。基于此我們人為地改變了樣品的周期性，使其結構從周期性變為無序。使用的方法是切割樣品，再對切割的小樣品進行任意排列，破壞其有序性。此時由于結構的無序性，不能進行模擬分析。只能通過實驗來進行分析。

將周期性結構破壞為不同程度的兩種方式，如，將樣品分別切割為16塊，100塊均勻的小樣品，放置在2個比色皿內，結構任意且排列緊密，通過太赫茲時域光譜系統進行實驗研究與分析。分別進行多次實驗來說明問題。如圖3所示，5組的排列我們通過對比色皿放在旋轉臺上進行高頻率轉動來改變排列方式，每次轉動時間分別為1 min，2 min……5 min。轉動后進行實驗。圖3中的16-1，表示樣品切割的數量以及進行的第1次實驗，其他以此類推。

將樣品切割成均勻的16塊和100塊時，樣品的數目較多，由于結構排列的無序性，不同結構與太赫茲波相互作用激發產生兩種共振頻率，且不同結構間相互耦合，使得太赫茲透過譜線，如圖3所示。對比進行的5組實驗，可以得到，在不同的實驗環境下，透過率的譜線在幅值上發生明顯的變化，頻率的變化不大。其中不同的幅值深度是與共振強弱有關。兩種共振方式相互作用，若是其中樣品旋轉角度小的數量占多數時，共振頻率在0.56 THz占主導，對應的譜線幅值較深。若是樣品旋轉角度大的數量占多數時，共振頻率在0.37 THz在相互耦合作用中占主導，共振較強，此時對應著其共振的幅值較深。在整個實驗過程中，頻率的變化不明顯可以得出在整個樣品切割以及改變角度下，并未產生新的共振激發方式，只有上述兩種共振方式相互疊加作用。是由于最小單元結構類似于材料的分子成分并沒有變化。

由于樣品切割工藝的局限性，我們只能將樣品切割成100塊，若是再小的結構，預想其透射光譜應該在每一次實驗中趨于一致，透射譜線在兩個共振頻率幅值上趨于均衡。

2 結語

綜合上述實驗研究，樣品單元結構的任意排列，將影響太赫茲透射光譜的改變。結構單元之間的共振耦合作用使得共振幅值產生變化。為了了解加工過程或者使用中產生結構的變化對太赫茲譜線透過率的影響，我們人為地改變了樣品的周期性，使其結構從周期性變為無序。通過太赫茲時域光譜系統進行實驗對比分析與研究。這項工作對研究周期性結構的缺損或破壞等檢測方面也有潛在的應用研究價值。

參考文獻

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