基于亞波長金屬條陣列結(jié)構(gòu)的太赫茲多頻吸收器

付子親，龐建鑫，陳 進(jìn)，王鳳超，楊 晶

（上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 理學(xué)院, 上海 201418）

太赫茲波（terahertz，THz）是頻率為 0.1～10 THz電磁輻射，介于紅外和微波波段之間，處于電子學(xué)向光子學(xué)的過渡階段，是唯一尚未完全開發(fā)利用的頻段，稱為電磁波譜的“太赫茲空隙”[1]。太赫茲技術(shù)的發(fā)展除了必要的太赫茲輻射源和探測器外，離不開太赫茲功能器件的支撐。超材料(metamaterial)是一種亞波長周期單元排列構(gòu)成的，具有獨(dú)特電磁特性的人工材料[2-3]。人工電磁微結(jié)構(gòu)的興起為電磁波的操控帶來了新機(jī)遇，通過單元結(jié)構(gòu)的設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)對電磁波各種物理和空間特性的人工動態(tài)調(diào)控，這為太赫茲功能器件的發(fā)展提供了一種新思路。近年來，隨著微納加工技術(shù)的發(fā)展，濾波器[4-5]、相位控制器[6]、偏振控制器[7]、傳感器[8]、吸收器[9]等太赫茲超材料功能器件的研究取得了巨大的進(jìn)展。

太赫茲超材料吸收器作為一種典型的功能器件，在通信、信號處理和光譜檢測等領(lǐng)域具有巨大的價值[10]。最初由Landy等[11]提出了“完美吸收器”的概念，其單元為典型的類三明治結(jié)構(gòu)。上層是電諧振環(huán)(electrical ring resonator，ERR)，中間是介質(zhì)層，底層是一定寬度的金屬片，能夠在微波段對特定頻帶內(nèi)的電磁波實現(xiàn)近100%完美吸收。隨后，Hu等[12]將這種結(jié)構(gòu)應(yīng)用到太赫茲波段。隨著超材料吸收器發(fā)展需求，窄帶吸收器已不足以滿足實際應(yīng)用需求，多頻帶[13-14]、寬帶[15-16]等功能多樣的太赫茲超材料吸收器引起了研究人員的廣泛關(guān)注。例如，2011年，Ma等[17]提出了基于2個嵌套的電閉環(huán)諧振器的雙頻太赫茲吸收器；2015年，Liu 等[18]使用多層堆疊棒的結(jié)構(gòu)設(shè)計了寬帶太赫茲吸收器；2021年，F(xiàn)u等[19]提出一種基于雙三叉戟結(jié)構(gòu)的多波段吸波器。

本文基于亞波長金屬條陣列結(jié)構(gòu)提出了一種多頻帶太赫茲吸收器，設(shè)計簡單的亞波長金屬條陣列結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)陣列參數(shù)實現(xiàn)單帶、雙頻帶、多頻帶甚至寬帶的吸收效果，為制作多頻帶或?qū)拵У奶掌澪掌骷峁┝擞幸娴膮⒖肌?/p>

1 結(jié)構(gòu)與設(shè)計

亞波長金屬條陣列結(jié)構(gòu)太赫茲吸收器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，該結(jié)構(gòu)采用典型的類“三明治”結(jié)構(gòu)，頂層為金屬條陣列單元、中間層為介質(zhì)層、底層為金屬層。頂層金屬條陣列與底層金屬層采用的材料是金（電導(dǎo)率σ=4.09×107S/m），中間介質(zhì)層的介電常數(shù)為ε=3(1+0.06i)。

圖1 超材料太赫茲吸收器結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the metamaterial terahertz absorber structure

圖1 (a)為1個4×4單元陣列，圖1(b)為其中1個單元。單元尺寸為px×py，每個單元包括n根長度漸變、間隔相等的金屬條，金屬條的寬度為w，厚度為t，相鄰2個金屬條之間的間隔相等為g。單元的重復(fù)周期p=px=py=110μm，介質(zhì)層厚度d1和金屬層的厚度d2分別為10 μm和2 μm，金屬條的寬度w和厚度t分別為10 μm和0.4 μm，金屬條的長度為li(i=1，2,···,n)。

利用CST Microware Studio軟件對所設(shè)計的亞波長金屬條陣列結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬。當(dāng)入射太赫茲波的偏振方向平行于金屬條長軸方向時，被稱為TE偏振。模擬得到S參量，則反射率和透射率分別可通過R(ω)=|S11|2、T(ω)=|S21|2計算得到。由于底層金膜層的厚度（2 μm）遠(yuǎn)大于電磁波的表皮深度，所以透射率T可當(dāng)作零，則超材料吸收率方程式可簡化為：A(ω)=1-R(ω) 。因此，此金屬條陣列結(jié)構(gòu)的吸收率只和反射率有關(guān)，當(dāng)反射率接近于零（即阻抗匹配自由空間）時，便可實現(xiàn)完美吸收。

2 仿真結(jié)果與討論

2.1 單金屬條結(jié)構(gòu)

圖2(a)為當(dāng)每個金屬條陣列結(jié)構(gòu)單元中只有單個金屬條(n=1)時的單元結(jié)構(gòu)示意圖。圖2(b)為其吸收器的吸收譜線。

圖2 單金屬條超材料單元結(jié)構(gòu)及其吸收光譜Fig. 2 Single metal strip metamaterial unit structure and its absorption spectrum

當(dāng)金屬條長度l=60 μm，在1.40 THz和2.55 THz處存在2個明顯的吸收峰，吸收率分別達(dá)到了90.0%和96.3%。當(dāng)金屬條長度l=75 μm，在1.15 THz和2.53 THz處存在2個明顯的吸收峰，吸收率分別達(dá)到了94.1%和96.3%。當(dāng)金屬條長度l=90 μm，在0.97 THz和2.48 THz處存在2個明顯的吸收峰，吸收率分別達(dá)到了97.3%和98.3%。由圖2（b）可見，在0.5～2.6 THz頻譜范圍內(nèi)，單金屬條陣列太赫茲吸收譜存在2個明顯的吸收峰，這2個位置均表現(xiàn)出明顯的強(qiáng)吸收效果，達(dá)到近完美吸收。金屬條的長度l主要影響吸收峰的位置，隨著l的增大，諧振頻率發(fā)生紅移，低頻吸收峰尤其明顯。

在金屬條陣列結(jié)構(gòu)中，低頻吸收峰是結(jié)構(gòu)的基本諧振，與金屬條結(jié)構(gòu)尺寸密切相關(guān)，而高頻吸收峰來自單元間的諧振。這種強(qiáng)烈的電磁諧振使電磁能力消耗在吸收器中，在諧振頻率處，電磁波幾乎完全被金屬條陣列結(jié)構(gòu)吸收，表現(xiàn)出完美吸收特性[20]。隨著金屬條長度增大，低頻吸收峰位置發(fā)生較大程度紅移，而此時單元結(jié)構(gòu)周期沒有改變，所以高頻吸收峰位置幾乎沒有變化。因此，亞波長金屬條陣列結(jié)構(gòu)的尺寸對太赫茲波的吸收特性具有重要的影響，可通過改變金屬條的長度以獲取不同諧振頻率的吸收器。

2.2 啁啾金屬條結(jié)構(gòu)

為了進(jìn)一步分析影響吸收峰的物理因素，研究了金屬條陣列結(jié)構(gòu)單元中有多個金屬條(n＞1)對吸收峰的影響。多個金屬條的長度不等呈啁啾分布，其他結(jié)構(gòu)尺寸均與單金屬條(n=1)單元結(jié)構(gòu)一致。圖3(a)為n=2的雙金屬條單元結(jié)構(gòu)陣列，金屬條的長度分別取l1=90 μm和l2=60 μm。測得太赫茲波的吸收譜如圖3(b)所示。由3(b)可見，在0.5～2.6 THz范圍內(nèi)存在3個明顯吸收峰，分別0.97、1.40 和2.51 THz頻率處，對應(yīng)的吸收率各自達(dá)到了99.6%、98.6%和93.7%。圖3（c）為n=3的3金屬條單元結(jié)構(gòu)陣列，金屬條的長度分別取l1=90 μm、l2=75 μm和l3=60 μm。測得太赫茲波的吸收譜如圖3(d)所示，在0.5～2.6 THz范圍內(nèi)存在4個明顯吸收峰，分別在0.94、1.15、1.39和2.49 THz頻率處，對應(yīng)的吸收率各自達(dá)到了91.0%、99.6%、93.9%和99.8%。可以看出，隨著啁啾金屬條結(jié)構(gòu)單元中金屬條數(shù)量n的增加，吸收器的吸收峰數(shù)量也隨之增加，顯現(xiàn)出多頻吸收的效果。

圖3 多金屬條超材料單元結(jié)構(gòu)和吸收光譜Fig. 3 Multi-metal strips structure and its absorption spectra

實驗表明，單金屬條陣列結(jié)構(gòu)超材料太赫茲吸收器，具有雙頻帶吸收特性。在單元結(jié)構(gòu)中增加1根金屬條，使之變成雙金屬條陣列超材料太赫茲吸收器，每根金屬條各自獨(dú)立作用，吸收光譜理論上應(yīng)為4個吸收峰。但仿真結(jié)果呈現(xiàn)出3個吸收峰，這是由于相鄰2根金屬條的高頻共振峰相互靠近重合而成了1個較寬的吸收峰，所以雙金屬條陣列結(jié)構(gòu)超材料太赫茲吸收器的吸收光譜存在3個近完美吸收峰，同理，3金屬條陣列結(jié)構(gòu)超材料太赫茲吸收器的吸收光譜呈現(xiàn)出4個近完美吸收峰。

考慮到多個單峰共振頻率足夠接近時會發(fā)生重疊，形成類似寬帶的效果。在3金屬條單元結(jié)構(gòu)陣列的研究中，還分析了金屬條長度接近的情況。圖4為3根金屬條尺寸分別取l1=90 μm、l2=88 μm和l3=86 μm時的單金屬條和3金屬條單元結(jié)構(gòu)陣列的吸收光譜。由圖4（a）呈現(xiàn)2個吸收峰。與單金屬條單元陣列結(jié)構(gòu)相比，此時三金屬條結(jié)構(gòu)的2個吸收譜的帶寬更寬。三金屬條結(jié)構(gòu)在0.96 THz和2.46 THz位置處的吸收峰的半高全寬分別為0.205 THz和0.146 THz。圖4(b)所示的單金屬條結(jié)構(gòu)中，將單金屬條結(jié)構(gòu)中的l依次設(shè)為90、88 、86 μm的仿真結(jié)果。其中，當(dāng)l=90 μm時，在0.97 THz和2.48 THz位置處的吸收峰的半高全寬分別為0.089 THz和0.031 THz，可以看出，這3條吸收譜線的吸收峰非常接近。因此，當(dāng)多金屬條長度差異性較小，相鄰吸收峰相互靠近并耦合疊加使得組合的多金屬條結(jié)構(gòu)吸收器能夠?qū)崿F(xiàn)寬帶吸收的效果。在單元結(jié)構(gòu)中組合不同數(shù)量和尺寸的金屬條，發(fā)現(xiàn)了亞金屬條陣列結(jié)構(gòu)太赫茲超材料的吸收特性，具體實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

圖4 金屬條超材料吸收器的吸收光譜Fig. 4 Absorption spectra of metal strips metamaterial absorber

表 1 單元結(jié)構(gòu)中不同數(shù)量和尺寸的金屬條的吸收特性Tab. 1 Absorption characteristic of metal strips with different quantity and size in unit structure

3 結(jié)語

提出了一種基于亞波長金屬條陣列結(jié)構(gòu)太赫茲多頻吸收器。研究發(fā)現(xiàn)，單金屬條陣列結(jié)構(gòu)超材料太赫茲吸收器在0.5～2.6 THz頻率范圍內(nèi)，其吸收光譜呈現(xiàn)出2個近完美吸收峰。通過改變金屬條的長度，可以獲得不同的諧振頻率的雙頻帶吸收器。啁啾金屬條結(jié)構(gòu)，通過在單元結(jié)構(gòu)中組合不同數(shù)量和尺寸的金屬條來調(diào)整吸收器的特性，從而實現(xiàn)多頻帶吸收，當(dāng)多個單峰共振頻率足夠接近時發(fā)生重疊合成了1個吸收峰，擴(kuò)展了吸收帶寬，實現(xiàn)了一定程度的寬帶吸收。通過調(diào)諧啁啾超材料單元中金屬條結(jié)構(gòu)的尺寸和分布，可以控制吸收器的吸收帶，這為太赫茲功能器件的發(fā)展提供了參考。