基于超材料的可調(diào)諧的太赫茲波寬頻吸收器*

陳俊 楊茂生 ? 李亞迪 程登科 郭耿亮 蔣林 張海婷 宋效先 3)? 葉云霞 任云鵬 任旭東 張雅婷3) 姚建銓 3)

1) (江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 鎮(zhèn)江 212013)

2) (江蘇大學(xué)微納光電子與太赫茲技術(shù)研究院, 鎮(zhèn)江 212013)

3) (天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院, 天津 300072)

隨著頻譜資源的日益稀缺, 太赫茲波技術(shù)在近十幾年的時(shí)間里得到了越來越多的關(guān)注, 并取得了巨大的進(jìn)展.由于高吸收、超薄厚度、頻率選擇性和設(shè)計(jì)靈活性等優(yōu)勢(shì), 超材料吸收器在太赫茲波段備受關(guān)注.本文設(shè)計(jì)了一種“T”型結(jié)構(gòu)的超材料太赫茲吸收器, 同時(shí)獲得了太赫茲多頻吸收器和太赫茲波寬頻可調(diào)諧吸收器.它們結(jié)構(gòu)參數(shù)一致, 唯一的區(qū)別是在太赫茲波寬頻可調(diào)諧吸收器的頂端超材料層上添加了一塊方形光敏硅.這種吸收器都是三層結(jié)構(gòu), 均由金屬基板、匹配電介質(zhì)層以及頂端超材料層組成.仿真結(jié)果表明, 太赫茲波多頻吸收器擁有6個(gè)吸收率超過90%的吸收峰, 其平均吸收率高達(dá)96.34%.而太赫茲波寬頻可調(diào)諧吸收器通過改變硅電導(dǎo)率, 可以控制吸收頻帶的存在與否, 同時(shí)可以調(diào)整吸收峰的頻率位置, 使吸收峰頻率在一個(gè)頻帶寬度大約為30 GHz的范圍內(nèi)調(diào)整.當(dāng)硅的電導(dǎo)率為1600 S/m時(shí), 吸收率超過90%的頻帶寬度達(dá)到240 GHz, 而且其峰值吸收率達(dá)到99.998%.

1 引 言

超材料是一種人工設(shè)計(jì)的周期陣列, 具有許多奇異的電磁特性, 如負(fù)折射率、非對(duì)稱傳輸和交叉極化錐.所有的這些特殊特性使超材料成為電磁波吸收材料的優(yōu)良候選材料.自從Landy等[1]第一次提出了由金屬層-介質(zhì)層-超材料層三層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的超材料吸收器, 并從理論和實(shí)驗(yàn)證明了超材料吸收器的效用后, 類似結(jié)構(gòu)的超材料吸收器得到了廣泛的研究.此后, 研究工作在各種不同波段范圍開展, 比如微波段、太赫茲波段和紅外光波段等.同時(shí), 不同結(jié)構(gòu)的超材料吸收器層出不窮[2-5].然而,這些超材料吸收器大多數(shù)都是單頻、雙頻或者是多頻吸收器, 這種在分散頻率點(diǎn)的吸收限制了這類吸收器在實(shí)際中的許多應(yīng)用, 比如說傳感器就需要寬頻可調(diào)諧的吸收器[6-8].為了適應(yīng)多功能太赫茲器件的發(fā)展, 具有可調(diào)諧或可切換吸收率功能的寬帶吸收器具有重要的研究價(jià)值.目前, 基本上所有基于超材料結(jié)構(gòu)的電磁波吸收器都是被動(dòng)式的, 即通過調(diào)整吸收器的幾何尺寸參數(shù)來達(dá)到調(diào)整吸收器吸收性能的目的, 這種器件一旦制備完成之后, 其吸收性能也就確定了[9].而日益復(fù)雜的電磁應(yīng)用環(huán)境需要的是主動(dòng)式的可調(diào)諧的電磁超材料吸收器,比如可以根據(jù)電磁環(huán)境的變化控制電磁超材料吸收器對(duì)電磁波的吸收率等[10-12].

在主動(dòng)式可調(diào)諧的吸收器中, 大多是利用石墨烯或者二氧化釩來達(dá)到調(diào)節(jié)吸收譜的效果.因?yàn)槭┰诳梢姽鈪^(qū)域吸收率高達(dá)2.3%, 適合應(yīng)用于太赫茲完全吸收材料[13,14].此外, 由于石墨烯的表面導(dǎo)電性可以通過改變化學(xué)勢(shì)來調(diào)節(jié), 因此石墨烯吸收體可以在多個(gè)頻率下工作.而二氧化釩是一種室溫相變材料, 當(dāng)溫度等于或大于其相變溫度時(shí),能顯示金屬特性, 當(dāng)溫度小于相變溫度時(shí), 能顯示介電特性.它的電導(dǎo)率能在相變過程中迅速增加.但是, 采用石墨烯結(jié)構(gòu)的吸收器往往需要用石墨烯構(gòu)成復(fù)雜圖案, 這使得生產(chǎn)工藝變得十分復(fù)雜; 而二氧化釩對(duì)溫度敏感, 而且工作溫度會(huì)限制在其相變溫度點(diǎn)左右, 適用范圍受到限制.使用金屬薄板加電磁材料的方案是一種新的解決思路, 它既保留了結(jié)構(gòu)簡單、易于生產(chǎn)的特點(diǎn), 也解決了吸收器只能被動(dòng)調(diào)節(jié)的不足.

本文提出了一種“T”型結(jié)構(gòu)的、太赫茲和遠(yuǎn)紅外頻率范圍的超材料吸收器.它采用經(jīng)典的金屬層-介質(zhì)層-超材料層的層狀結(jié)構(gòu), 即以一塊金屬薄板作為基底, 以聚酰亞胺作為匹配介質(zhì)層置于金屬層之上, 最上面一層是帶圖案的金屬-硅混合層.數(shù)值計(jì)算證明, 通過改變半導(dǎo)體的電導(dǎo)率, 所設(shè)計(jì)的吸收器可以在期望的頻率范圍內(nèi)獲得近乎完美的吸收.當(dāng)硅電導(dǎo)率為 1600 S/m 時(shí), 吸收器在0.786 THz 頻率處達(dá)到吸收峰值, 其吸收率為99.998%, 而且吸收率超過90%的頻帶寬度達(dá)到了 240 GHz.另外, 通過調(diào)節(jié)硅片電導(dǎo)率, 可以輕易地調(diào)整吸收帶的有無以及吸收峰頻率點(diǎn), 吸收峰頻率點(diǎn)可在30 GHz的寬度范圍內(nèi)調(diào)整.

2 超材料太赫茲波吸收器件的設(shè)計(jì)

圖1 超材料太赫茲波吸收器結(jié)構(gòu)示意圖 (a) 多頻吸收器示意圖; (b) 寬頻可調(diào)諧吸收器示意圖; (c) 吸收器剖面圖; (d) 吸收器表面結(jié)構(gòu)圖Fig.1.Structural schematic diagram of metamaterial terahertz wave absorbers：(a) Schematic diagram of multi-band absorber;(b) schematic diagram of broadband tunable absorber; (c) profile of absorber; (d) surface structure of absorber.

超材料太赫茲吸收器的單元結(jié)構(gòu)如圖1所示,兩種吸收器結(jié)構(gòu)參數(shù)完全相同, 唯一的不同點(diǎn)在于“T”型超材料太赫茲寬頻可調(diào)諧吸收器在太赫茲波多頻吸收器的頂端的超材料結(jié)構(gòu)層加入了一塊方形硅片[15].圖1(a)和圖1(b)為兩種超材料太赫茲吸收器的仿真結(jié)構(gòu)圖, 可以看出所設(shè)計(jì)的太赫茲吸收器為三層結(jié)構(gòu), 其頂層設(shè)有圖形結(jié)構(gòu), 且兩種太赫茲吸收器的區(qū)別僅僅是有無方形光敏硅片.圖1(c)為“T”型超材料太赫茲波吸收器的剖面圖.其中, 底層為連續(xù)的金屬薄膜Au, 厚度為h1; 中間層為聚酰亞胺介質(zhì)層, 厚度為h2, 折射率設(shè)置為n=3.4; 最上面一層為由金屬Au薄膜(或者金屬Au薄膜和方形硅板, 硅板與Au板的厚度一致)制作而成的諧振單元, 厚度設(shè)置為h3.圖1(d)為超材料吸收器的表面結(jié)構(gòu)圖(以超材料太赫茲波寬頻吸收器為例), 如圖所示, “T”型 Au 薄膜結(jié)構(gòu)中間嵌入了一塊邊長為w的正方形硅板, 其中構(gòu)成“T”型Au薄膜的兩個(gè)矩形尺寸相同, 長、寬分別是a,b, 四個(gè)“T”型金屬薄膜結(jié)構(gòu)大小一致.超材料吸收器整體是一個(gè) 32 μm × 32 μm × 32 μm 的立方體, 其中a,b,w,q,h1,h2,h3等參數(shù)見表1.

表1 超材料太赫茲吸收器的結(jié)構(gòu)尺寸Table 1.Structure dimensions of metamaterial terahertz absorber.

3 太赫茲波吸收器的原理與仿真模擬

眾所周知, 吸收率A可用下式計(jì)算：

其中R,T分別表示反射率、折射率; 而S1,S2分別表示反射系數(shù)、透射系數(shù).由于用來當(dāng)作基底的金屬板Au具有足夠的厚度, 因此所提出的超材料太赫茲波吸收器的透射率接近于零, 即T≈ 0.將T≈ 0這個(gè)條件代入到 (1)式中, 可以得到

因此, 吸收率A可以簡單地通過(2)式來計(jì)算.另外, 由于該超材料太赫茲波吸收器件的單元結(jié)構(gòu)具有高度的幾何旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性, 因此對(duì)正常入射太赫茲波具有偏振不敏感特性.

在仿真模擬中, 所設(shè)計(jì)的超材料太赫茲波吸收器件被沿著Z軸方向的垂直入射的平面波照射.電磁場(chǎng)邊界條件設(shè)置在X-Y平面上, 電矢量方向沿著X方向, 磁矢量方向沿著Y方向來確定邊界條件, 而沿Z軸方向則使用完全匹配層, 使用時(shí)域求解器進(jìn)行仿真, 即能夠獲得多帶吸收器的反射曲線.其中, 金屬 Au 的電導(dǎo)率為 4.561 × 107S/m,中間電介質(zhì)層聚酰亞胺的相對(duì)介電常數(shù)ε= 3.4,方形硅板的電導(dǎo)率初始值設(shè)置為1 S/m.

4 仿真結(jié)果與分析

4.1 “T”型圖案太赫茲超材料多頻吸收器的仿真結(jié)果

根據(jù)上述模型, 利用計(jì)算機(jī)在 2.5—8 THz范圍內(nèi)計(jì)算“T”型圖案太赫茲超材料多頻吸收器的吸收光譜, 模擬計(jì)算結(jié)果如圖2所示.從圖2可以看到, 一共有6個(gè)吸收率超過90%的頻率點(diǎn), 分別是：在 2.918 THz 頻率點(diǎn)處, 吸收率為 95.631%;在 3.7925 THz 頻率點(diǎn)處, 吸收率為 99.508%; 在4.986 THz 頻率點(diǎn)處, 吸收率為96.34%; 在6.966 THz頻率點(diǎn)處, 吸收率為 94.835%; 在 7.2685 THz 頻率點(diǎn)處, 吸收率為 96.485%; 在 7.4665 THz 頻率點(diǎn)處, 吸收率為94.732%.6個(gè)吸收峰的平均吸收率達(dá)到了96.26%.此外, 吸收譜還顯示出3個(gè)附加吸收峰的存在, 分別位于 5.5415, 7.5435 和 7.615 THz頻率點(diǎn), 吸收率分別為 78.756%, 75.852%, 80.625%.

圖2 超材料太赫茲多頻吸收器的吸收譜Fig.2.Absorption spectrum of metamaterial terahertz multi-band absorber.

4.2 “T”型圖案太赫茲超材料寬頻可調(diào)諧吸收器的仿真結(jié)果

將仿真計(jì)算的頻率范圍更改為0—3 THz, 圖3所示的是硅電導(dǎo)率為初始值1 S/m時(shí)的吸收譜,可以輕易地發(fā)現(xiàn), 在這種參數(shù)條件下, 本文提出的“T”型圖案太赫茲超材料吸收器對(duì)太赫茲波吸收能力不盡如人意, 雖然有兩個(gè)吸收峰, 但是吸收率都不高, 僅在2.412 THz處吸收率達(dá)到了54.39%,在2.826 THz處到達(dá)了82.03%, 此時(shí)的吸收器的吸收率過低, 不適合實(shí)際使用.在不改變其他條件的情況下, 用軟件仿真計(jì)算了在σ1= 1 S/m,σ2=200 S/m,σ3= 400 S/m,σ4= 600 S/m,σ5=800 S/m,σ6= 1000 S/m 六種情況下的吸收器的吸收光譜, 結(jié)果如圖4所示.我們發(fā)現(xiàn), 逐漸增大硅片的電導(dǎo)率后, 吸收器的吸收光譜發(fā)生巨大的變化：原本在 2.412 THz 與 2.826 THz 頻率處的吸收率下降, 值得注意的是, 在 0.5—1 THz 頻帶范圍內(nèi)出現(xiàn)了一個(gè)新的吸收峰, 這表明吸收峰頻率發(fā)生了紅移現(xiàn)象, 并且紅移現(xiàn)象造成的頻率移動(dòng)高達(dá)2.04 THz.而且 0.5—1 THz 頻帶范圍處的吸收峰的吸收率隨著硅片電導(dǎo)率的增大而增大, 在硅片電導(dǎo)率達(dá)到1000 S/m的時(shí)候吸收率超過了90%, 變成一個(gè)寬頻帶太赫茲波吸收器, 其中峰值吸收率在 0.78 THz 處取得, 達(dá)到了 94.61%, 在這種情況下吸收率超過90%的頻帶寬度可以達(dá)到123 GHz.繼續(xù)增大硅板的電導(dǎo)率, 超材料吸收器的吸收率超過90%的吸收頻帶逐漸變寬, 峰值吸收率也逐漸變大, 在電導(dǎo)率為1600 S/m的時(shí)候吸收頻帶最寬,擁有240 GHz的吸收率超過90%的頻率范圍, 如圖5所示.在這種情況下, 峰值吸收率在0.786 THz處取得, 同樣取得了最值, 達(dá)到了 99.998%, 表現(xiàn)出近乎完美的吸收性能.之后再繼續(xù)增大硅板電導(dǎo)率, 超材料太赫茲吸收器的吸收太赫茲波的能力呈現(xiàn)一個(gè)下降的趨勢(shì), 當(dāng)硅板電導(dǎo)率增大到3300 S/m時(shí), 吸收器就失去了對(duì)太赫茲波的吸收能力(沒有一個(gè)頻率點(diǎn)的吸收率超過90%), 如圖6所示.在增大硅板電導(dǎo)率的過程中, 除了出現(xiàn)吸收帶寬先增大再減小的過程, 再一次出現(xiàn)了頻率移動(dòng)的現(xiàn)象, 只不過這一次頻移現(xiàn)象是藍(lán)移, 硅板電導(dǎo)率從1000 S/m 變換到 3300 S/m 的過程中, 峰值吸收頻率點(diǎn)大約藍(lán)移了30 GHz.

圖3 硅電導(dǎo)率為 1 S/m 時(shí)的超材料太赫茲波吸收器吸收譜Fig.3.Absorption spectra of metamaterial terahertz absorbers when silicon conductivity is 1 S/m.

圖4 硅電導(dǎo)率在 1—1000 S/m 范圍內(nèi)六種不同取值下的太赫茲波吸收器吸收譜Fig.4.Absorption spectra of terahertz absorbers with six different values of silicon conductivity in the range of 1-1000 S/m.

圖5 硅電導(dǎo)率為 1600 S/m 時(shí)的超材料太赫茲波吸收器吸收譜Fig.5.Absorption spectra of metamaterial terahertz absorbers when silicon conductivity is 1600 S/m.

圖6 硅電導(dǎo)率在 1000-4000 S/m 范圍內(nèi)六種不同取值下的太赫茲波吸收器吸收譜Fig.6.Absorption spectra of terahertz absorbers with six different values of silicon conductivity in the range of 1000-4000 S/m.

4.3 仿真結(jié)果分析

為了進(jìn)一步地說明“T”型圖案太赫茲超材料多頻吸收器以及寬頻可調(diào)諧吸收器的吸收機(jī)理, 分別研究了多頻吸收器在各個(gè)吸收峰頻率的磁場(chǎng)分布, 以及寬頻可調(diào)諧吸收器在硅電導(dǎo)率為1600 S/m時(shí)0.78 THz頻率點(diǎn)的上下表面的表面電流分布情況, 結(jié)果如圖7和圖8所示.

圖7 多頻吸收器超材料結(jié)構(gòu)層在 2.918 THz 處的磁場(chǎng)分布情況Fig.7.Distribution of magnetic field at 2.918 THz in metamaterial structure layer of terahertz multi-band absorber.

由于多頻吸收器各個(gè)吸收峰的物理機(jī)制相似,因此, 挑選了 2.918 THz 這個(gè)頻率點(diǎn)進(jìn)行說明.圖7展示了多頻吸收器超材料結(jié)構(gòu)層的磁場(chǎng)分布情況,可以很明顯地觀察到, 在結(jié)構(gòu)層中存在偶極子共振模式, 正是由于激發(fā)了偶極子共振模式[16,17], 因此該頻率的太赫茲波能夠被有效地吸收(以下會(huì)給出更進(jìn)一步的說明).而且, 本文設(shè)計(jì)的多頻吸收器存在多個(gè)腔室結(jié)構(gòu)[18-21], 其他吸收峰的存在就是由于激發(fā)出了不同腔室之間的偶極子共振模式.

圖8(a)和圖8(b)分別展示了吸收器超材料結(jié)構(gòu)層和金屬基底在硅電導(dǎo)率為1600 S/m時(shí)0.78 THz頻率點(diǎn)的表面電流的分布結(jié)果.我們知道, 頂層和底層結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生的反向平行電流可以形成電流環(huán),這種電流的形成揭示出超材料太赫茲吸收器的磁偶極子共振模式被激發(fā)出來, 進(jìn)一步地, 上下兩個(gè)金屬層上形成的表面電流向相反的方向流動(dòng)形成的電流環(huán)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng), 磁場(chǎng)方向可以根據(jù)右手定則判斷, 該磁場(chǎng)會(huì)與入射太赫茲波的磁場(chǎng)產(chǎn)生磁通耦合, 從而導(dǎo)致太赫茲波被器件吸收.根據(jù)圖8(a)和圖8(b)可以看到, 表面超材料層金屬中的電流在X-Y平面內(nèi)沿著X軸的負(fù)軸方向流動(dòng), 而金屬基板上的電流方向則是向著X軸的正軸方向流動(dòng),根據(jù)右手定則, 可以判斷出電流環(huán)感應(yīng)出的磁場(chǎng)磁通方向是Y軸的負(fù)軸方向, 而在仿真模擬中設(shè)置的入射太赫茲平面波的波矢量的方向是沿著Z軸負(fù)軸方向, 因此電場(chǎng)和磁場(chǎng)分布在X-Y平面內(nèi), 感應(yīng)磁場(chǎng)和入射太赫茲波相互耦合抵消, 太赫茲平面波消失, 表現(xiàn)出超材料吸收器對(duì)太赫茲波的吸收,這表明吸收峰的深層吸收機(jī)理是基于磁共振響應(yīng).另外, 0.78 THz這個(gè)吸收峰只有在電導(dǎo)率高時(shí)出現(xiàn)的原因是：在光照強(qiáng)度低、硅電導(dǎo)率低的情況下,硅表現(xiàn)出絕緣體的性質(zhì), 0.78 THz的太赫茲波無法在結(jié)構(gòu)層和基板之間形成強(qiáng)烈的磁耦合, 因此0.78 THz 的吸收峰沒有出現(xiàn); 當(dāng)光照強(qiáng)度變化, 硅電導(dǎo)率變大后, 硅越來越表現(xiàn)出導(dǎo)體的性質(zhì), 相當(dāng)于改變了結(jié)構(gòu)層的幾何參數(shù), 其共振頻率也發(fā)生改變, 共振頻率變化為 0.78 THz, 而且由于硅導(dǎo)體性質(zhì)的不完全性, 其吸收峰的變化沒有全金屬結(jié)構(gòu)層那么尖銳, 比較平緩, 導(dǎo)致寬頻吸收特性的形成.

圖8 寬頻可調(diào)諧吸收器在硅電導(dǎo)率為1600 S/m時(shí)0.78 THz頻率點(diǎn)的上下表面的表面電流分布情況 (a)上表面; (b)下表面Fig.8.Terahertz tunable broadband absorber of surface current distribution on upper and lower surfaces at 0.78 THz when silicon conductivity is 1600 S/m：(a) Upper surface; (b) lower surface.

若改變光敏硅的尺寸以及位置, 吸收器就會(huì)失去寬頻吸收特性或者吸收效果大大下降.由于表面圖案的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性, 移動(dòng)光敏硅的位置就會(huì)破壞表面對(duì)稱腔結(jié)構(gòu), 減少旋轉(zhuǎn)“T”型結(jié)構(gòu)的共振模式,使得太赫茲波在結(jié)構(gòu)之間激發(fā)磁耦合變得非常困難, 導(dǎo)致吸收器失去寬頻吸收特性, 其吸收峰頻率也相應(yīng)減少; 而改變硅的大小, 結(jié)構(gòu)的共振峰值頻率隨之變化, 但由于結(jié)構(gòu)原因, 太赫茲波無法在結(jié)構(gòu)之間激發(fā)出足夠強(qiáng)的極子共振模式, 使得結(jié)構(gòu)對(duì)太赫茲的吸收能力大大下降.

5 總 結(jié)

根據(jù)太赫茲波吸收機(jī)理, 設(shè)計(jì)了一種“T”型結(jié)構(gòu)的可調(diào)諧的太赫茲寬頻超材料吸收器, 同時(shí)獲得了太赫茲多頻吸收器和太赫茲波寬頻可調(diào)諧吸收器.它們結(jié)構(gòu)參數(shù)一致, 唯一的區(qū)別是在太赫茲波寬頻可調(diào)諧吸收器的頂端超材料層上添加了一塊方形光敏硅.這兩種吸收器都是三層結(jié)構(gòu), 均由金屬基板、匹配電介質(zhì)層以及頂端超材料層組成.仿真結(jié)果表明, “T”型超材料太赫茲波多頻吸收器具有多達(dá)6個(gè)吸收率超過90%的吸收峰, 其平均吸收率為96.26%.通過在太赫茲波多頻吸收器的頂端超材料結(jié)構(gòu)層加入一片方形光敏硅片, 就可以將多頻吸收器轉(zhuǎn)換為太赫茲可調(diào)諧寬頻吸收器, 而且該寬頻可調(diào)諧吸收器可以通過光輻射強(qiáng)度大小來調(diào)節(jié)超材料層的硅片電導(dǎo)率大小, 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)吸收器的吸收帶的目的.當(dāng)硅片電導(dǎo)率達(dá)到1600 S/m時(shí), 吸收帶寬達(dá)到最大, 為 240 GHz, 同時(shí)峰值吸收率也達(dá)到最大, 為99.998%.當(dāng)硅片電導(dǎo)率從1 S/m 增大到 1000 S/m, 吸收峰從 2.826 THz 移到 0.78 THz, 出現(xiàn)了 2.046 THz 的頻率紅移現(xiàn)象,再繼續(xù)增大硅片電導(dǎo)率, 吸收峰從0.78 THz緩緩轉(zhuǎn)移至 0.81 THz, 出現(xiàn)了 30 GHz 的頻率藍(lán)移現(xiàn)象.器件的吸收機(jī)理來源于超材料吸收器的磁偶極子共振模式的激發(fā).由于這些獨(dú)特的性質(zhì), 本文所提出的超材料太赫茲波吸收器可能在光開關(guān)、光探測(cè)、光成像、帶阻器件等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值.