一種吸收效率可調的電磁超構材料設計

師璟桐，盧亦桐，王鵬博，周前柏，趙君

（西安航空計算所， 陜西 西安 710000）

0 引言

超構材料（Metamaterials）不同于自然界中常見的天然材料，它是一種具有超常的物理特性的人工復合材料或復合結構，從原子和分子設計出發，經過繁復的人工設計及制備過程，形成一種復合型或混合型的材料體系，這種材料體系往往具有人造微結構單元周期排布的形式。超構材料的概念從提出至今，已經有50多年的時間。最初超構材料主要應用于負介電常數和負磁導率的研究［1-5］。而后，超構材料被廣泛應用于各類學科領域，譬如隱身斗篷［6］，異常折反射［7］，完美吸收［8］，相干控制器件［9］，等等。

如今，超構材料與各學科相交融，開拓了各類新型研究方向。在這其中，研究者們開創了一個新的課題——相干完美吸收器件（Coherent Perfect Absorber，CPA）。相干完美吸收器采用兩個或多個入射波組成的光路系統，可以調控光波、電磁波、聲波的散射和吸收。近年來，相干完美吸收器的研究成果層出不窮，包括超表面結構、石墨烯結構、增益/損耗結構等。由于相干完美吸收是干涉和損耗相互作用的現象，因此在各類有關波動的研究領域都有較好的發展前景，比如聲學、偏振學和量子光學。

相干控制器件最簡單且最具說明性的例子便是四端口系統，這一系統可以對兩束相向入射（即傳播方向相反）的相干光束實現相干控制。一般來說，相干控制系統都是為了調制某一種電磁現象的效率，即放大器，或者可以作為光開關應用。超構材料相干控制器件可以調節偏振轉換效率、異常折反射效率及圓二向色性等。

本文介紹了一種復合超構材料相干吸收器件，該器件可在微波段內實現多頻相干吸收并使用相干控制的方法對吸收效率進行調節。

1 復合超構材料的設計

本文介紹一種復合超構材料器件（如圖1），表示這種材料的結構單元及由結構單元組成的周期性結構陣列。

圖1 復合超構材料結構示意圖

本文主要研究的是微波段內的相干完美吸收，所以制備該材料器件的方法為將由銅制成的正方形開口環刻蝕在FR4材料上。如圖1所示，每一個結構單元包含4個金屬正方形開口環，基底材料呈兩側對稱分布，基底同側呈90°復合設計，旨在當x偏振信號和y偏振信號入射時都產生電磁響應，以此增加吸收諧振峰，實現多帶吸收。為在微波段內實現多帶吸收，材料結構單元的周期在15~30 mm范圍內。

2 復合超構材料吸收特性

首先，對復合超構材料的單束入射信號吸收特性進行仿真分析。如圖2所示，分別表示單束x偏振信號和單束y偏振信號入射該材料結構時的吸收效率曲線，在3~9 GHz的頻段內，兩種偏振方向的線偏振信號分別入射到超構材料上，都會產生3個吸收諧振峰。圖2（a）表示當x偏振信號入射超構材料時的吸收效率曲線，可以看到分別在3.91 GHz處、5.92 GHz處、7.8 GHz處產生了3個吸收諧振峰，其中3.91 GHz處的吸收效率接近0.4，5.92 GHz和7.8 GHz處的吸收效率都超過0.5。圖2（b）表示當y偏振信號入射超構材料時的吸收效率曲線，y偏振信號入射超構材料的工作頻段也在3~9 GHz，3個吸收諧振峰分別產生在3.87 GHz處、5.81 GHz處和7.9 GHz處且3個吸收頻率點的吸收效率都超過了0.5。由圖2可以看出，在3~9 GHz的工作頻段內，超構材料在兩種偏振信號入射下都產生了3個吸收諧振峰，但是諧振頻率點略有不同。

圖2 復合超構材料單束微波信號入射下的吸收特性

為了更直觀地了解超構材料在諧振頻率點處的電磁響應模式，可以通過超構材料在諧振頻率處的電場進行分析，圖3表示復合超構材料的結構單元在每一個諧振頻率點處的電場z方向分量及金屬開口環上表面電流的分布。當x偏振信號和y偏振信號分別入射材料時，在工作頻段內都會產生3個吸收峰，并且這6個吸收峰的頻率點兩兩對應互相接近，所以可以將頻率接近的吸收諧振峰對應分析。如圖3所示，當x偏振信號入射時，在3.91 GHz諧振頻率點處結構單元的電流主要分布于左側開口環的長弧上，并且根據電場圖可知，此時可類似于一個電偶極子，相對應地當y偏振信號入射時，在3.98 GHz處的結構單元的電流主要分布于右側開口環的長弧上，此時也可以類似于一個電偶極子，這兩種情況下超構材料的諧振模式是相同的。繼而以同樣的方法可知，x偏振信號入射時5.92 GHz處的電磁模式與y偏振信號入射時5.81 GHz處的電磁模式相同，電流主要分布于結構單元內的開口環短弧上，此時也都可類似于一個電偶極子。x偏振信號入射時的7.8 GHz處和y偏振信號入射時的7.9 GHz處的電磁模式相同，此時電流主要分布于超構材料開口環的長弧上，都可類似于一個電四極子。

圖3 復合超構材料在諧振頻率點處的電場z方向分量及金屬環上表面電流分析

3 復合超構材料的相干控制研究

由上個章節的仿真結果可知，在單束信號入射旋轉復合超構材料的情況下，所得到的吸收峰值都在0.5左右，可以由此推測出對其進行相干控制，則調制幅度較為理想。通過改變兩束相干入射信號之間的相位差，使得超構材料在相干信號束形成的駐波的波腹和結點間移動，以此來達到調制吸收效率的效果。相干控制系統由圖4所示，兩束相干入射信號分別為控制波和信號波，在調制時，需要該表控制波的相位調制兩束相干信號的相位差。

圖4 復合超構材料的相干完美吸收示意圖

本文定義的電場駐波的波腹和波節與磁場駐波的波節和波腹相對應。討論超構材料在電場駐波中的情況，當超構材料處于電場駐波的波腹位置，即兩束相干信號的相位差為0，電場分量就會與超構材料產生較強的相互作用，電場強度與單束信號入射時相比翻倍，在這種情況下的吸收會增強，當超構材料處在電場駐波的波節位置，即相位差為180° ，這種情況下的電場分量和超構材料之間的相互作用很弱，透射效果會大大增強，對電磁波的吸收就會減小。與之相反，當超構材料在磁場駐波的波腹處，磁場分量和超構材料相互作用很弱，吸收也很弱，而在磁場駐波的波節處，磁場分量與超構材料相互作用很強，吸收便也增強。在這里定義兩束相干入射信號的強度都為0.5，這樣總強度為1，出射強度在0~1。

增加一個入射端口并定義控制信號的相位改變后，對旋轉復合超構材料進行相干完美吸收的仿真，得到仿真結果如圖5所示，是當兩束相干信號的相位差分別為0°和180°時超構材料所表現出來的吸收特性。圖5（a）表示的是x偏振信號入射的相干吸收曲線，3個吸收峰和單束信號入射時一致，分別是3.91 GHz、5.92 GHz、7.8 GHz，并且由于相干控制的調制作用，使這3個吸收峰的大小都有所改變，當相位差角為180° 時，3.91 GHz處的吸收效率達到0.7 GHz，5.92 GHz處的吸收效率達到0.9 GHz，7.8 GHz處的吸收效率接近1，幾乎為完全吸收；而當相位差角為0時，這3個吸收峰的峰值較小，5.92 GHz處的吸收率在0.1左右，3.91 GHz處和7.8 GHz處的吸收效率都在0.05以下，接近零吸收，這就說明這3個頻率點處都是由于電磁波的磁場分量與超構材料產生了相互作用，在相干信號駐波的波節處吸收效率最高。此外，除了這3個明顯有調制效果的吸收峰，在5.6 GHz處有一個調制出的吸收峰，與前3個吸收峰不同，這一頻率點上是當相位差角為零吸收效率調制為最高，在0.28左右，相位差為180° 時吸收效率接近0，這就說明這一頻率點是電場分量與超構材料產生相互作用。圖5（b）表示的是當y偏振信號入射旋轉復合超構材料時的相干吸收譜線，能得到明顯調制效果的吸收峰出現在5.81 GHz處和7.9 GHz處，當相位差為180° 時，這兩個頻率點的吸收效率都接近1，幾乎為完美吸收，當相位差為0時，這兩個頻率點的吸收效率都在0.1左右，調制幅度較大，而在3.87 GHz處，調制幅度較小，相位差為180° 時，吸收效率在0.63左右，相位差為0時，吸收效率在0.35左右，因此這3個頻率點也都是磁場分量與超構材料之間的相互作用，除此以外，在3.83 GHz處有一個較小的吸收峰，當相位差為180° 時，吸收效率接近于0，當相位差為0時，吸收效率在0.39左右，這是電場分量與超構材料之間的相互作用。

圖5 復合超構材料在入射信號相位差分別為0和時的吸收曲線

圖6 復合超構材料的相干完美吸收周期性變化曲線

4 結論

本文設計了一種復合超構材料，這種材料可以在微波段內實現多頻吸收，并且吸收效率可以通過相干控制的方法得到有效調控。

復合超構材料的工作頻段為3~9 GHz，x偏振信號和y偏振信號分別入射到超構材料上，都會產生3個吸收諧振峰。由仿真結果可知，單束信號入射超構材料時吸收頻率點處的吸收頻率都約為0.5，通過相干控制仿真可以使得吸收頻率點處的吸收效率得到有效調控，部分頻率點處的吸收效率可以實現零吸收到完美吸收之間的調控。

傳統雙層開口環相干吸收器的吸收諧振頻率點較少且依賴入射信號偏振態。本論文設計復合超構材料有效增加了微波段內的吸收諧振頻率點。相干完美吸收器件相較于傳統吸收器件，不需要改變材料的結構就可以實現對吸收效率的靈活調控，其在航空、航天、船舶、光學開關設計、光信息存儲收集、隱身材料等方面都有廣闊的應用前景。