超材料吸收器設計方法的研究進展

胡丹 王可心王娩寧

摘要：超材料是由人工合成的新型材料，其電磁響應主要取決于構成材料性質以及微結構的物理尺寸和結構排列。超材料吸收器通過優化設計合理的微結構可實現特定頻段電磁波的完美吸收。超材料吸收器具有厚度薄、體積小、結構簡單、吸收率高等優勢，可廣泛應用于電磁隱身、折射率傳感、熱成像、電磁屏蔽等領域。本文結合國內外研究現狀的基礎上簡要綜述幾種類型的超材料吸收器的設計方法。

關鍵詞：超材料；吸收器；頻帶

超材料是指一種自然材料所不具備的反常電磁特性的人工合成材料，近年來其研究受到各界廣泛的關注。利用超材料可以實現對電磁波的波長、相位、偏振態、傳播方向以及角動量的靈活有效調控，從而實現負折射、平板透鏡以及電磁隱身等新奇的電磁特性。超材料一個特別引人關注的應用領域是電磁波“完美吸收器”，完美吸收器是美國波士頓學院Landy等人在2008年首次提出的，這是一種基于超材料的電磁共振吸收器，通過合理設計器件的結構尺寸和材料參數，入射電磁波能夠在結構表面產生反向電流，從而使電磁波局域在介質層內實現特定電磁波的完美吸收。[1]目前，吸收器的潛在應用包括電磁隱身、熱成像、折射率傳感等領域。筆者分類簡要介紹了不同類型的超材料吸收器的設計方法。

一、單頻帶超材料吸收器

單頻帶超材料吸收器可應用于提高器件在某個單一頻率點的探測性能。常見的單頻帶超材料吸收器是由亞波長金屬結構/介質/金屬膜所構成的三明治結構，例如，Tao等人利用金屬劈裂環/介質/金屬膜結構，實現了超材料吸收器在太赫茲波段的單頻帶吸收，在共振頻率1.6THz處對入射波的吸收率高達97%，對不同傾斜角入射的TM和TE波都能夠實現良好的吸收效果。[2]隨后，眾多科研人員開始對單頻帶超材料吸收器進行理論和實驗研究，其研究頻率范圍也從開始的微波波段逐漸擴展到太赫茲、紅外、可見光。此外，基于全介質或全金屬結構的超材料吸收器也可以實現單頻帶的完美吸收，例如，美國杜克大學的Liu等人利用高摻雜硅設計超材料吸收器，實驗上在1.186THz頻率處實現了97.5%的完美吸收。[3]二、雙頻帶超材料吸收器

在某些情況下，超材料器件需要在兩個頻率點同時具有良好探測性能，因此需要雙頻帶超材料吸收器，這就要求吸收器能夠在兩個頻率處同時具有良好的吸收效率。雙頻帶吸收器結構與單頻帶類似，多采用“金屬微結構/介質/金屬膜”的三明治結構，只不過在微結構陣列中的每個結構單元是由兩個不同尺寸的相似結構所構成，各自對應一個頻率的吸收峰。例如，Wen等人設計和制備了金屬劈裂環/介質/金屬膜結構，實驗測量結果顯示此吸收器可在0.45THz和0.92THz處分別實現80.8%和63.4%的吸收效率。[4]

三、多頻帶超材料吸收器

與雙頻帶吸收器的設計方法相類似，常通過多個不同尺寸的相似結構構成一個結構單元來增加更多的共振頻率，以實現多個頻帶的完美吸收，從而滿足多個頻帶的高探測性能的需求。例如，Shen等人提出三個嵌套的金屬環來實現三個頻帶的高吸收，理論和實驗結果表明，在4.06GHz、 6.73GHz、9.22GHz三個頻帶處分別實現吸收率為99%、93%、95%。[5]此外，通過單個結構激發更多級次的等離子體共振，同樣也可以實現多頻帶的高吸收效率，例如，Hu等人提出“U”形金屬環，在太赫茲頻率范圍內實現了六個頻帶的高吸收率。

四、寬頻帶超材料吸收器

單頻帶、雙頻帶等窄帶吸收器可用于窄帶探測、傳感、成像等。然而，在許多實際應用過程中，例如寬帶傳感、寬帶增透膜、寬帶熱輻射計等，需要寬帶的超材料吸收器才能滿足要求。對于寬頻帶超材料吸收器的設計，研究人員主要從以下幾個方法來實現：一、結構相似但尺寸不同的金屬結構作為一個結構單元陣列實現寬帶高吸收；二、雙層或多層金屬結構堆棧來加寬吸收器的吸收帶寬；三、基于全介質材料的超材料吸收器同樣可以實現寬帶高吸收率，例如，Pu等人利用重摻雜硅構造光柵結構，通過相消干涉和衍射的完美結合實現寬帶吸收。

五、總結

本文簡單介紹了幾種類型的超材料吸收器，典型的超材料吸收器為金屬結構/介質/金屬膜的三明治結構單元陣列，通過改變頂層金屬結構的形狀、大小可以獲得所需要的吸收頻率。雙頻帶、多頻帶、寬頻帶以可以通過在單頻帶吸收器的每個結構單元的頂層中設計兩個、三個或更多的結構相似尺寸不同的微結構來實現。寬頻帶還可以通過雙層或多層金屬結構堆棧或全介質材料來實現。

參考文獻：

[1]N.I.Landy et al，Phys.Rev.Lett.100，207402 （2008）.

[2]H.Tao et al，Phys.Rev.B 78，241103（R） （2008）.

[3]X.Liu et al，Opt.Express 25，191 （2017）.

[4]Q.Y.Wen et al.Appl.Phys.Lett.，95，241111（2009）.

[5]X.Shen et al.，Opt.Express 19，9401 （2011）.

[6]D.Hu et al，IEEE Photon.J.8，5500608 （2016）.

[7]M.Pu et al，Opt.Express 20，25513 （2012）.

作者簡介：胡丹（1981），男，漢族，安徽宿州人，博士研究生，安陽師范學院講師，研究方向：超材料、微納光子器件。