線極化與圓極化波均可吸收的太赫茲超表面*

吳柔蘭 李九生

(中國計量大學太赫茲技術與應用研究所,杭州 310018)

利用VO2 嵌入超表面設計了一種實現不同頻率,且線極化和圓極化兩種模式入射下均產生高效率吸收的太赫茲超表面.當VO2 為絕緣態時,設計的超表面對圓極化波的旋向產生選擇性吸收,在1.30 THz 處對左旋圓極化波產生的吸收率大于95%,對右旋圓極化波不吸收,圓二色性為0.85.當VO2 為金屬態時,在1.95 THz處,該超表面對TE 線極化入射波吸收率達到98.5%.結果表明,在線極化和圓極化波入射下,所設計的超表面結構具有良好的廣角吸收性能.由于它具有形態簡單、易于加工等特點,在太赫茲波傳感、成像和通信領域具有廣闊的應用前景.

1 引言

近年來超快激光技術的發展為太赫茲波脈沖的產生提供了穩定、可靠的激光發源,使太赫茲波研究獲得長足發展[1].超表面作為一種新型二維人工超材料,可以有效控制電磁波的透射、反射與極化等參量,因此備受各國研究人員關注.另外,利用VO2[2,3]、石墨烯[4,5]和銻化銦[6,7]等構建復合超表面結構可以實現對微波、太赫茲波和光波的動態調控[8-10].最近,可調太赫茲吸收器作為太赫茲波調控器件之一,引起研究人員廣泛關注[11,12].2018 年,Hu 等[13]利用石墨烯構建不對稱分裂環圖案層獲得多重共振,實現太赫茲波雙寬帶吸收器.Yang 等[14]利用8 個尺寸漸變的單元組成光柵結構實現對TM 和TE 兩種偏振波在不同頻率的高效吸收.2019 年,Yan 等[15]采用不同尺寸石墨烯方環設計了可調諧的雙頻點太赫茲吸收超表面.2020 年,Divdel 等[16]利用希爾伯特分形結構設計出擁有多個吸收波段的太赫茲超表面吸收器,吸收率大于90%.上述報道的超表面主要針對線極化太赫茲波入射實現吸收,沒有對圓極化入射到該類型超表面結構產生何種效果進行研究分析.最近,Zhao 等[17]提出基于阿基米德螺旋結構設計超表面實現對左旋圓極化(left-handed circularly polarized,LCP)波吸收的同時也對右旋圓極化(right-handed circularly polarized,RCP)波產生完全反射.2022 年,Liang 等[18]利用VO2和石墨烯構建復合超表面結構通過改變VO2相變狀態,實現對圓極化波的非選擇性完美吸收與選擇性完美吸收功能可切換.VO2是一種典型的溫控相變材料,其電導率在相變過程中會發生巨大突變.當低于臨界溫度(68 ℃)時,VO2具有高電阻率和良好的絕緣性能,而高于臨界溫度時,電阻由高阻態變為低阻態且表現出金屬特性.因此,將VO2嵌入超表面中組成復合超表面結構,實現工作頻點可切換,非常有必要研究VO2復合型超表面的太赫茲特性.

本文提出一種VO2復合型超表面實現對線極化和圓極化太赫茲波高效吸收.當VO2絕緣態(σ=0 S/m)時,在頻率1.3 THz 處,所設計超表面對LCP 波吸收率達到95%,對RCP 波產生完全反射,圓二色性(CD)為0.85.當VO2金屬態(σ=2×105S/m)時,在頻率1.95 THz 處,所設計超表面對TE 線極化入射波的吸收率達到98.5%.研究發現該結構對線極化和圓極化入射波均能實現廣角吸收,有望為太赫茲的新型探測器和傳感器設計提供多樣性的選擇.

2 結構設計與理論分析

本文提出的太赫茲吸收器結構,如圖1 所示,其工作頻率可切換,對線極化和圓極化入射的太赫茲波均產生完美吸收.該復合超表面由嵌入VO2的金屬圖案層,石英基體和金屬底板組成.利用CST Microwave Studio 軟件優化后復合超表面結構尺寸: 周期為60 μm,w1=4 μm,w2=1 μm,方環長度為44 μm,圓環外半徑為15 μm,θ=70°,石英基體厚度為18.5 μm.VO2的相對介電常數利用Drude 模型可表示為[19]

圖1 所設計的工作頻率可切換,對線極化和圓極化入射波均產生完美吸收的太赫茲吸收器結構示意圖 (a) 三維結構圖;(b) 單元俯視圖Fig.1.Schematic diagram of the designed terahertz absorber with switchable operating frequency and perfect absorption for both linearly polarized and circularly polarized waves incidence: (a) 3D structure diagram;(b) top view of the unit.

式中,ε∞=12,碰撞頻率γ=5.75×1013rad/s,ωp(σ)為等離子體頻率.

式中,r++和r—+分別為右圓極化波入射下的共極化和交叉極化反射系數,r——和r+—為左圓極化波入射下的共極化和交叉極化反射系數.Rcirc為圓極化的反射矩陣,該矩陣由線極化反射系數表示為

式中,rxx(ryy)和rxy(ryx)分別為線性波入射下的共極化和交叉極化反射系數.若所設計結構對LCP入射波完全吸收并對RCP 入射波完全反射,此時反射系數滿足條件為r——=r——=r+—=0,r—+=1,則線極化反射系數可表示為

式中,α為任意相.若所設計的復合超表面結構要實現旋向吸波,則該結構需滿足

式中,φ代表單元結構旋轉一圈后出現與原始結構重合的角度.φ=mπ (m=0,±1,···),說明只有二重對稱結構才能實現對旋向入射波吸波.除旋轉對稱結構外,鏡像對稱結構若想實現旋向吸收性能,需滿足如下條件:

由(4)式可知,若(rxx—ryy)/rxy為虛數,將無法滿足(6)式中的鏡像對稱條件.因此,實現旋向選擇吸收結構的同時必須打破旋轉對稱與鏡像對稱.

3 仿真結果分析

3.1 VO2 為絕緣態

圖2 表示VO2為絕緣態(σ=0 S/m)時,LCP波和RCP 波入射到復合超表面結構時產生的電磁響應下曲線.從圖2(a)可以看出,LCP 波的共極化反射曲線(r——)與RCP 波的共極化反射曲線(r++)一致,LCP 波的交叉極化反射(r+—)與RCP 波的交叉極化反射曲線(r—+)有較大差別.在頻率1.30 THz 處,r—+＞ 0.9,而r+—＜ 0.1,結果表明在該頻點處所設計超表面反射了大部分RCP波,對LCP 波不反射.為了更加清楚地解釋不同圓極化波之間的吸收差,引入CD 進行描述,定義圓極化吸收率為

則CD 表示為

從圖2(b)可以明顯觀察到,在頻率1.30 THz處所設計的超表面結構對LCP 入射波吸收率達到95%,但是對RCP 入射波吸收率僅為10%,它的CD 值為0.85,表明幾乎所有入射LCP 太赫茲波被吸收,同時大部分入射RCP 太赫茲波被反射.圖3 是在LCP 波和RCP 波入射下,頂層金屬結構在1.30 THz 處的電場和電流分布圖.由圖3(a)和圖3(b)可以看出,當RCP 太赫茲波入射時,在方形缺口環和圓形缺口環的一側存在單極共振,但是當LCP 太赫茲波入射時,圓形缺口環產生明顯的偶極共振.同樣地,從圖3(c)和圖3(d)可以看出,RCP 太赫茲波入射時圓環表面電流非常微弱,而LCP 太赫茲波入射時表面電流得到顯著增強.

圖2 LCP 波和RCP 波入射下所設計超表面結構的電磁響應曲線 (a)反射系數;(b)吸收率及圓二色性Fig.2.Electromagnetic response curves of the designed metasurface structures under the incident of LCP and RCP waves: (a) Reflection coefficient;(b) absorption and circular dichroism.

圖3 LCP 和RCP 太赫茲波入射下的電場分布圖與電流分布圖 (a) RCP 入射下的電場分布;(b) LCP 入射下的電場分布;(c) RCP 入射下的電流分布;(d) LCP 入射下的電流分布Fig.3.Electric field distribution diagram and current distribution diagram under the LCP and RCP waves incidence: (a) Electric field distribution under RCP incidence;(b) electric field distribution under LCP incidence;(c) current distribution under RCP incidence;(d) current distribution under LCP incidence.

選取超表面結構參數線寬w1,w2和間隙θ研究其對所設計超表面器件CD 值的影響情況,結果如圖4 所示.圖4(a)表示w1從2 μm 增加至4 μm時,所設計超表面結構的CD 只有微小變化,這是由于LCP 入射超表面時方形缺口環的電場能量較弱,對CD 值影響較小.圖4(b)表示隨著w2增加,所設計超表面的CD 峰值頻率出現藍移,且峰值迅速減小,在w2=5 μm 處CD 值接近于0.這是由于所設計的超表面結構諧振頻率與缺口環等效的電容和電感成反比,增加線寬會減小表面電流密度和等效電感,從而使峰值頻率發生藍移.圖4(c)表示所設計超表面的CD 峰值對應的頻率同樣隨著θ增加發生明顯藍移,這是因為圓環缺口可等效成電容,當缺口角度不斷增加時等效電容不斷減小,使得峰值頻率向更高頻方向移動.

圖4 不同結構參數對所設計超表面的CD 影響情況 (a) 線寬w1;(b) 線寬w2;(c) 間隙θFig.4.Influence of different structural parameters on the CD of the designed metasurface: (a) Line width w1;(b) line width w2;(c) angle θ.

圖5 討論了太赫茲波斜入射角度對所設計超表面結構的圓極化吸收性能影響.當太赫茲波以入射角70°入射時,在頻率1.30 THz 處入射的LCP太赫茲波吸收率大于80%,如圖5(a)所示,結果表明所設計的超表面具有良好的廣角圓極化吸收性能.圖5(b)表示當入射角為70°時,在頻率1.30 THz處,所設計超表面的CD 大于0.7,表明該超表面在大入射角情況下依舊能夠保持著良好的旋向吸收性能.

圖5 入射角對所設計超表面的吸收特性影響 (a) LCP;(b) CDFig.5.Incident angle vs.absorption properties of the designed metasurface: (a) LCP;(b) CD.

研究分析在頻率0.8—1.6 THz 內,線性太赫茲波(TE 極化波與TM 極化波)入射到所設計超表面結構產生的吸收特性如圖6 所示.從圖6(a)可看出,TE 波入射下產生的共極化反射曲線(ryy)與TM 波入射下產生的共極化反射曲線(rxx)變化趨勢一致,TE 波入射下產生的交叉極化反射(rxy)與TM 波入射下產生的交叉極化反射(ryx)重疊.在頻率1.30 THz 處,rxx=0.35,ryy＞ 0.53.如圖6(b)所示,所設計超表面結構在頻率1.30 THz處對TE 和TM 入射波的吸收率分別為43.86%和58.40%.

圖6 TE 波和TM 波入射下所設計結構的電磁響應曲線 (a) 反射系數;(b) 吸收率Fig.6.Electromagnetic response curves of the designed structures under the incident of TE and TM waves: (a) Reflection coefficient;(b) absorption.

3.2 VO2 為金屬態

當VO2為金屬態(σ=2×105S/m)時,LCP和RCP 太赫茲波入射到所設計的超表面結構時產生的電磁響應曲線見圖7.圖7(a)表示在LCP和RCP 太赫茲波入射下所設計超表面結構產生的交叉極化反射和共極化反射曲線.可見,在頻段1.6—2.4 THz 內,兩種圓極化波對應的交叉極化和共極化反射曲線完全一致.圖7(b)為LCP 與RCP太赫茲波入射到所設計超表面結構獲得的電磁波吸收率,在頻率1.95 THz 處吸收率大于90%,圓二色性CD 值為0,此時所設計超表面結構表現為對不同偏振態的太赫茲波沒有選擇性吸收.

圖7 LCP 和RCP 太赫茲波入射到所設計超表面結構產生的電磁響應曲線 (a) 反射系數;(b) 吸收率及圓二色性Fig.7.Electromagnetic response curves of the designed structures under LCP and RCP waves incidence: (a) Reflection coefficient;(b) absorption and circular dichroism.

圖8 表示TE 和TM 波垂直入射所設計的超表面結構時產生的太赫茲波反射和吸收譜.圖8(a)中TE 與TM 極化波入射所設計的超表面結構的交叉反射系數rxy=ryx=0,且在1.95 THz 處,TM極化波的共極化反射系數rxx＞ 0.42,TE 極化波的共極化系數ryy=0.12.圖8(b)表示TE 和TM 波入射到所設計的超表面結構產生的吸收曲線,在1.95 THz 處,吸收率分別為98.5%和82.0%.

圖8 TE 和TM 極化太赫茲波入射到復合超表面結構產生的電磁響應曲線 (a) 反射譜;(b) 吸收譜Fig.8.Electromagnetic response curves of TE and TM polarized terahertz wave is incident on the designed composite metasurface structure: (a) Reflection coefficient;(b) absorption coefficient.

所設計的復合超表面結構對太赫茲波吸收率為A=1—RT=1—|S11|2—|S21|2,式中R和T分別為反射率和透射率,S11與S21是超表面太赫茲波反射參數與透射系數.由于該復合超表面結構的底層金屬板厚度為1 μm,這遠大于太赫茲波的趨膚深度,因此太赫茲波的透射率為0.引入阻抗匹配理論[21]分析該復合超表面結構對太赫茲波的吸收特性:

式中,Z1表示復合超表面結構等效阻抗,Z0=120π Ω 表示自由空間阻抗.當等效阻抗與自由空間阻抗匹配時,Z≈ 1,此時該結構可以實現完美吸收.圖9 表示TE 極化波入射到復合超表面時產生的吸收譜與等效阻抗特性.在頻率1.95 THz 處,復合超表面的等效阻抗實部為1.29,趨近于1,表明復合超表面在該頻率可以實現太赫茲波的完美吸收.由圖10 可見,頻率1.95 THz 處TE 極化波入射到所設計的復合超表面結構時產生的電場能量主要集中在圓環和方環上下側間隙處,此頻率處的太赫茲波吸收峰是由方環和圓環的偶極共振效應疊加產生.

圖9 TE 波入射到復合超表面結構產生的等效阻抗實部與虛部Fig.9.Real and imaginary parts of the equivalent impedance of the designed composite metasurface structure under the TE wave incidence.

圖10 TE 波入射下,復合超表面結構電場分布Fig.10.Electric field distribution of the designed composite metasurface structure under TE wave incidence.

圖11 為線極化波入射下超表面復合結構的不同結構參數對太赫茲吸收性能影響情況.圖11(a)顯示當w1從2 μm 增加至6 μm 時,復合超表面結構的太赫茲吸收峰出現輕微藍移,吸收率仍大于90%.圖11(b)表示隨著w2增加,復合超表面結構的太赫茲吸收峰出現藍移,吸收率逐漸降低.由圖11(c)可見,復合超表面結構的吸收峰隨著R增加產生紅移現象.研究表明當太赫茲波入射角從0°變化到70°時,該復合超表面結構的太赫茲吸收率均大于90%,具有完美的廣角吸收性能.如圖12所示,當入射角大于30°時,在更高頻處產生了另外一個吸收峰,并且隨著入射角度繼續增加,該諧振頻率也發生輕微紅移,這主要由超表面結構產生高階模式共振所致.

圖11 不同結構參數對線極化吸收影響 (a) w1;(b) w2;(c) RFig.11.Influence of different structural parameters on linear polarization absorption: (a) w1;(b) w2;(c) R.

4 結論

本文設計了一種VO2嵌入式復合超表面結構,可以實現對多個頻率點的線極化和圓極化入射波完美吸收.當VO2絕緣態時,該超表面能夠在1.30 THz 處實現對入射LCP 太赫茲波的吸收,同時對入射的RCP 太赫茲波產生反射.當VO2為金屬態時,線極化波入射到超表面,在頻率1.95 THz處實現太赫茲波的完美吸收.該結構對TE 極化和LCP 太赫茲波均具有良好的廣角吸收性能.該復合超表面結構能實現不同頻率、不同偏振態的太赫茲波產生良好吸收效應,所以該復合超表面結構的設計構思可用于其他超表面太赫茲器件設計,而且由于對不同偏振信號的響應特征不同,可以用于太赫茲成像與傳感系統.