基于超材料的模式轉換

李泉 羅雨琪 劉姍姍 王爽 陳泰

【摘 要】隨著太赫茲技術的不斷發展，與其相應的功能器件也被科學工作者重視起來。論文結合亞波長超材料的特性，設計了一種可工作在太赫茲波段的超材料模式轉換器件。當中心不連接時，該器件僅產生位于高頻的偶極子單諧振。當中心橫向位置被連接起來，則產生高低頻雙諧振。論文為太赫茲模式轉換器件、傳感器件乃至非線性器件的設計提供了新思路，具有較大潛在應用價值。

【Abstract】With the continuous development of terahertz technology， its corresponding functional devices are also valued by scientific workers. In this paper， a kind of metamaterial mode conversion device which can work in the terahertz band is designed in combination with the characteristics of sub-wavelength metastructures. When the center is not connected， the device only generates a single dipole resonance at a high frequency. When the central transverse position is connected， double resonances at both high and low frequency are generated. The paper provides a new idea for the design of terahertz mode switching devices， sensors， and even nonlinear devices， and has a great potential in applications.

【關鍵詞】太赫茲;超材料;模式轉換

【Keywords】terahertz; metamaterial; mode conversion

【中圖分類號】TN624? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】1673-1069（2019）08-0145-02

1 引言

超材料，作為一種能實現自然界材料所不能實現的某些功能的特殊人工材料，近幾年受到越來越多的關注。人們可以按照自我意愿設計超材料的周期性結構，從而實現對電磁波的控制。在太赫茲波段，許多功能材料就是基于超材料制備的，如濾波器、傳感器、轉換器、非線性器件等[1-3]。本文應用超材料特性，提出一種可以工作在太赫茲波段的模式轉換器件。

2 結構設計與仿真

該結構單元共有兩層，超材料中心截掉半徑為r=5μm的圓后與結構中心連接（r=0μm）的透射系數，超材料結構如圖1（a）所示，第一層為硅基底結構，第二層為金屬材料結構，此處采用焦耳損耗很小的鋁作為本結構的金屬材料。金屬結構的單元結構尺寸如下：單元結構的周期為100μm×100μm，基底厚度為630μm。金屬結構的長為a=40μm，寬為b=40μm，金屬線寬為w=4.5μm，開口間隔為g=5μm，中間所截圓的半徑為r=5μm，金屬結構的厚度為t=200nm。

通過FDTD對本結構進行時域仿真，我們研究了結構的特性。在仿真中，金屬的電導率設置為3.72×107S/m，基底設置為介電常數為11.9的無損耗的硅材料。X和Y方向都設置為周期性邊界條件。太赫茲被設置為平面波，且垂直入射到樣品上。結果如圖1（a）所示，該結構中心截掉的圓半徑為r=5時，太赫茲透射頻譜中只有一個位于高頻的比較明顯的諧振出現，諧振頻率為～2.4THz，該諧振為偶極子諧振。偶極子諧振是由金屬結構中類偶極子表面電流引起，該諧振的產生與結構的對稱性無關，有時也被稱為明模。當中心部分被全部連接起來時，即r=0時，除了高頻的偶極子諧振外，在低頻處出現了另外一個諧振，諧振頻率為～0.9THz，該諧振為Fano諧振。

為了探究中心間隔處的連接變化對諧振曲線的影響，用金屬做中間的局部連接來觀察在不同的連接方式下頻譜如何發生變化。如圖1（b）黑色曲線所示，當中間只有一半部分被橫向局部連接時，仍然出現了高低頻兩個諧振，高頻諧振較中間全部連接時變化不大，低頻諧振變得更加尖銳。如圖1（b）紅色曲線所示，當中間上下兩部分都被橫向局部連接時，兩個諧振跟中間全部連接的響應基本一致。因此，可以得出結論：該種超材料結構的連接不受連接面積的影響，只要有橫向部分連接，即可同時產生兩個諧振。

為了進一步探究兩種諧振的內在機理，分別仿真超材料結構中心連接時，偶極子諧振處（f=2.4THz）的表面電流分布和中心截掉半徑為r=5μm的圓后，Fano諧振處（f=0.9THz）的表面電流分布，如圖2所示。對比兩種結構的表面電流圖，發現無中心間隔時，在結構的上下兩端形成了對稱的電流回路，而電流的形成本質上是電荷的定向移動，因此，在電流的始端應當會有正電荷集聚，而末端應當會有負電荷集聚，該異號電荷的分布會在間隔處產生電容現象，導致強波谷偶極子諧振的出現。而有中心間隔時，電流分布在結構的四個角上，這種電流分布會在四個頂點處產生電荷集聚，但強度不大，這種電荷集聚誘導產生Fano諧振。

從以上的結果和分析中可以看出，通過控制金屬結構中心縫隙處連接與否即可控制偶極子諧振與Fano諧振之間的模式轉換。這種模式轉換超材料的典型應用主要包括以下兩種：①可以應用在太赫茲傳感器的設計中，通過在中心處添加具有半導體或者金屬性質的被探測物質，超材料結構的諧振就會發生相應的變化，從而分析被探測物質的種類和性質;②結構中的電荷集聚現象將一定程度上產生場增強效應，該效應有利于實現非線性效應，因此，該設計也可以應用到太赫茲非線性超材料的設計中。

3 結論

本文通過改變超材料結構的連接關系，實現了由偶極子單模式與偶機制模式和Fano諧振模式雙模式之間的轉換，且發現實現雙模式時超材料的連接不受連接面積的影響。該設計為模式轉換超材料的設計提供了一種新思路，同時，該思路也有利于實現太赫茲傳感器和太赫茲非線性超材料。

【參考文獻】

【1】Zhang， X， Gu， J， Cao， W， et al. Bilayer-Fish-Scale Ultrabroad Terahertz Bandpass Filter[J]. Opt. Lett， 2012（37）：906-908.

【2】Singh， R， Cao， W， Al-Naib， I， et al. Withayachumnankul， W.; Zhang， W. Ultrasensitive Terahertz Sensing with High-Q Fano Resonances in Metasurfaces[J]. Appl. Phys. Lett， 2014（105）：171101.

【3】Li， S， Nugraha， P. S. Su， X. et al. Terahertz Electric Field Modulated Mode Coupling in Graphene-Metal Hybrid Metamaterials[J]. Opt. Express，2019（27）：2317-2326.