太赫茲頻段人工電磁材料綜述

劉芳妍

摘? 要：近年來人工電磁材料器件已經成為在亞波長尺度上調控電磁波的重要工具，因為它很容易根據電磁諧振器周期單元結構陣列來設計其光學特性，如折射率、介電常數和磁導率等等。人工電磁材料具有很多奇異性質，這也使其具有可調控、傳感和吸波等特性。

關鍵詞：人工電磁材料;調控;傳感;吸波

中圖分類號：TB97? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）09-0016-02

Abstract： In recent years， metamaterials devices have become an important tool to regulate electromagnetic waves on a subwavelength scale， because it is easy to design their optical properties， such as refractive index， dielectric constant and permeability， according to the periodic cell structure array of electromagnetic resonators. Artificial electromagnetic materials have many strange properties， which also make them have controllable， sensing and absorbing properties.

Keywords： metamaterials; controllable; sensing; absorbing

1 人工電磁材料概述

人工電磁材料又被稱作“超材料”，是一種磁導率和介電常數同時為負的人工結構材料，也是本世紀物理學領域新出現的學術詞匯，近期出現在各個科學領域里。人工電磁材料往往具有如下三個重要的特征：

（1）通常是具有人工結構的復合材料。

（2）往往具有超常的物理性質（即自然界原本不存在的某種奇異性質）。

（3）其性質往往不由構成材料本身的本征性質決定，

而是由組成其材料的人工單元結構所決定。

在這其中最經典的幾種人工電磁材料分別為左手材料、光子晶體以及超磁性材料。左手材料在2003年被Science雜志列為當年的“十大科學進展”之一;在2006年底英美兩國科學家聯手利用與左手材料相似的設計方法設計出梯度超材料，并實現隱身斗篷功能，Science雜志再一次將其列進十大科學進展，這足以體現人工電磁材料其重要性。為了更好地區分人工電磁材料，我們通常從電磁波傳播特性以及磁導率和介電常數的正負性來加以區分：當介電常數小于零且磁導率大于零，代表物質為等離子體頻率以下的金屬;當介電常數和磁導率同時大于零，代表物質為普通透明介質;當介電常數和磁導率同時小于零，代表物質為左手材料;當介電常數大于零且磁導率小于零時，代表物質為鐵磁共振頻率附近的鐵氧體。

2 太赫茲波概述

太赫茲波（THz波）又被稱作太赫茲射線，主要指頻率在0.1THz到10THz之間的電磁波，太赫茲電磁頻譜位于微波與紅外線之間，主要可以應用于無創醫療檢查、無損故障分析、安全監視、下一代高速無線通信網絡等等，如圖1所示。

因此在太赫茲頻域段工作范圍內的超材料一方面在探測成像、檢測微生物上有著廣闊前景，即常見的人工電磁材料單元結構通常以開口諧振環為主，而一些微生物的尺寸與太赫茲超材料的間隙相同;另一方面也可應用于等離子選擇表面，開口諧振環電磁諧振器構成的超材料幾何結構支持多種諧振模式，且等離子體表面對光學性質有一定的控制作用，通過設計超材料表面的非對稱性納米間隙，利用幾何設計其光學特性，獲得具有高度選擇性的光傳輸和偏振控制。而超材料本身是一種結構比其工作波長短得多的人造電磁介質，大多數超材料是利用亞波長共振金屬元件構造的。

3 人工電磁材料的可調控特性概述

對于由人工結構單元組成的超材料，它們一般分為周期性排列和非周期性排列，超材料的奇異電磁性質完全來源于單元結構性質而不是其本構材料的特征。因此一旦結構確定，超材料的工作帶通常是固定的。此外對于基于電磁諧振器單元結構的超材料其帶寬是有限的。因此具有可調工作頻率和寬帶寬的可調諧超材料引起了人們的廣泛關注。其基本原理可描述為通過加熱、光泵、電場或磁場來調節材料的復介電常數或磁導率，然后超材料單元的有效參數隨之變化，從而產生可調諧的頻率響應。不過盡管超材料具有可調諧的工作頻率，但其可調諧性通常是有限的，因此科學家們還提出了可重構超材料以實現可能更高的調諧范圍。構成可重構超材料的途徑主要包括通過微機電系統技術或者變形來改變超材料的結構。

4 人工電磁材料的傳感特性概述

近年來科學家提出一種電磁超材料的替代傳感平臺，電磁超材料可被看作是一種提供有效電磁響應的均勻材料，其通常使用具有介電間隙的金屬開環來實現諧振，根據它們的幾何形狀、相位以及內容物可在比周期長的波長處與電磁波耦合，共振時在金屬回路中產生強烈的電流振蕩，在間隙中產生局域電場。這種局域共振場對亞波長間隙區域介質的變化非常敏感。以微流體傳感器為例，微流體傳感器由單個開口諧振環（SRR）、超材料的基本構造塊實現。在諧振時SRR產生一種限制在深亞波長區域內的強電場，在該區域上的微通道中流動的液體可以改變局域場分布，從而影響開口諧振環共振行為。具體來說，諧振頻率和帶寬受液體樣品的復合介電常數的影響，這不僅建立了傳感器共振與樣品介電常數之間的關系，也可估算液體樣品的復合介電常數。該技術能夠感應液體在溝道中的流動。如果需要準確估計復雜介電常數，實現化學介電特性的多波段傳感，也可通過集成超材料與微流通道建立介電模型，隨著傳感器中諧振器數目的增加，可得到具有更詳細介電信息的介電譜曲線。

5 人工電磁材料的吸波特性概述

從微波到光學部分電磁光譜的超材料完美吸收器因其卓越的吸收電磁輻射的能力而得到了深入的研究。與上一節相對應，完美超材料吸收器也可以廣泛應用于傳感。其用于傳感的主要優點是吸收器共振頻率的敏感位移，以及由于分析物與電場磁場在共振完美吸收頻率下的強烈相互作用而引起的共振振幅的急劇變化。超材料本身是一種遠小于光波長的具有結構單元的共振金屬納米結構，我們通過適當的設計其千兆赫茲頻率范圍內的電磁響應，超材料的完美吸收是可能的。我們在設計超材料完美吸收器時也要考慮金屬薄膜中的阻尼對于在實驗中實現理想吸收具有重要的意義。

6 結束語

在這篇綜述中，我們重點討論了具有電磁光學特性的人工電磁材料的基本特點以及其一些應用特性，比如傳感、調構、吸波。超材料的上述定義一般包括周期性以及非周期性合成物，但我們主要關注的是周期性結構，因為到目前為止實現的絕大多數超材料實際上都是基于周期性的平移不變性而展開討論的。因此研究超材料最簡單的例子是基于一種單一的塊體材料，在這種單一塊體材料中引入合理的周期性孔隙以獲得新的性能。在未來超材料也可更多的應用于各個領域，例如醫學、工業、安防等等。

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