太赫茲頻段人工電磁材料綜述

劉芳妍

摘? 要：近年來(lái)人工電磁材料器件已經(jīng)成為在亞波長(zhǎng)尺度上調(diào)控電磁波的重要工具，因?yàn)樗苋菀赘鶕?jù)電磁諧振器周期單元結(jié)構(gòu)陣列來(lái)設(shè)計(jì)其光學(xué)特性，如折射率、介電常數(shù)和磁導(dǎo)率等等。人工電磁材料具有很多奇異性質(zhì)，這也使其具有可調(diào)控、傳感和吸波等特性。

關(guān)鍵詞：人工電磁材料;調(diào)控;傳感;吸波

中圖分類(lèi)號(hào)：TB97? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）09-0016-02

Abstract： In recent years， metamaterials devices have become an important tool to regulate electromagnetic waves on a subwavelength scale， because it is easy to design their optical properties， such as refractive index， dielectric constant and permeability， according to the periodic cell structure array of electromagnetic resonators. Artificial electromagnetic materials have many strange properties， which also make them have controllable， sensing and absorbing properties.

Keywords： metamaterials; controllable; sensing; absorbing

1 人工電磁材料概述

人工電磁材料又被稱(chēng)作“超材料”，是一種磁導(dǎo)率和介電常數(shù)同時(shí)為負(fù)的人工結(jié)構(gòu)材料，也是本世紀(jì)物理學(xué)領(lǐng)域新出現(xiàn)的學(xué)術(shù)詞匯，近期出現(xiàn)在各個(gè)科學(xué)領(lǐng)域里。人工電磁材料往往具有如下三個(gè)重要的特征：

（1）通常是具有人工結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。

（2）往往具有超常的物理性質(zhì)（即自然界原本不存在的某種奇異性質(zhì)）。

（3）其性質(zhì)往往不由構(gòu)成材料本身的本征性質(zhì)決定，

而是由組成其材料的人工單元結(jié)構(gòu)所決定。

在這其中最經(jīng)典的幾種人工電磁材料分別為左手材料、光子晶體以及超磁性材料。左手材料在2003年被Science雜志列為當(dāng)年的“十大科學(xué)進(jìn)展”之一;在2006年底英美兩國(guó)科學(xué)家聯(lián)手利用與左手材料相似的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出梯度超材料，并實(shí)現(xiàn)隱身斗篷功能，Science雜志再一次將其列進(jìn)十大科學(xué)進(jìn)展，這足以體現(xiàn)人工電磁材料其重要性。為了更好地區(qū)分人工電磁材料，我們通常從電磁波傳播特性以及磁導(dǎo)率和介電常數(shù)的正負(fù)性來(lái)加以區(qū)分：當(dāng)介電常數(shù)小于零且磁導(dǎo)率大于零，代表物質(zhì)為等離子體頻率以下的金屬;當(dāng)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)大于零，代表物質(zhì)為普通透明介質(zhì);當(dāng)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)小于零，代表物質(zhì)為左手材料;當(dāng)介電常數(shù)大于零且磁導(dǎo)率小于零時(shí)，代表物質(zhì)為鐵磁共振頻率附近的鐵氧體。

2 太赫茲波概述

太赫茲波（THz波）又被稱(chēng)作太赫茲射線，主要指頻率在0.1THz到10THz之間的電磁波，太赫茲電磁頻譜位于微波與紅外線之間，主要可以應(yīng)用于無(wú)創(chuàng)醫(yī)療檢查、無(wú)損故障分析、安全監(jiān)視、下一代高速無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)等等，如圖1所示。

因此在太赫茲頻域段工作范圍內(nèi)的超材料一方面在探測(cè)成像、檢測(cè)微生物上有著廣闊前景，即常見(jiàn)的人工電磁材料單元結(jié)構(gòu)通常以開(kāi)口諧振環(huán)為主，而一些微生物的尺寸與太赫茲超材料的間隙相同;另一方面也可應(yīng)用于等離子選擇表面，開(kāi)口諧振環(huán)電磁諧振器構(gòu)成的超材料幾何結(jié)構(gòu)支持多種諧振模式，且等離子體表面對(duì)光學(xué)性質(zhì)有一定的控制作用，通過(guò)設(shè)計(jì)超材料表面的非對(duì)稱(chēng)性納米間隙，利用幾何設(shè)計(jì)其光學(xué)特性，獲得具有高度選擇性的光傳輸和偏振控制。而超材料本身是一種結(jié)構(gòu)比其工作波長(zhǎng)短得多的人造電磁介質(zhì)，大多數(shù)超材料是利用亞波長(zhǎng)共振金屬元件構(gòu)造的。

3 人工電磁材料的可調(diào)控特性概述

對(duì)于由人工結(jié)構(gòu)單元組成的超材料，它們一般分為周期性排列和非周期性排列，超材料的奇異電磁性質(zhì)完全來(lái)源于單元結(jié)構(gòu)性質(zhì)而不是其本構(gòu)材料的特征。因此一旦結(jié)構(gòu)確定，超材料的工作帶通常是固定的。此外對(duì)于基于電磁諧振器單元結(jié)構(gòu)的超材料其帶寬是有限的。因此具有可調(diào)工作頻率和寬帶寬的可調(diào)諧超材料引起了人們的廣泛關(guān)注。其基本原理可描述為通過(guò)加熱、光泵、電場(chǎng)或磁場(chǎng)來(lái)調(diào)節(jié)材料的復(fù)介電常數(shù)或磁導(dǎo)率，然后超材料單元的有效參數(shù)隨之變化，從而產(chǎn)生可調(diào)諧的頻率響應(yīng)。不過(guò)盡管超材料具有可調(diào)諧的工作頻率，但其可調(diào)諧性通常是有限的，因此科學(xué)家們還提出了可重構(gòu)超材料以實(shí)現(xiàn)可能更高的調(diào)諧范圍。構(gòu)成可重構(gòu)超材料的途徑主要包括通過(guò)微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)或者變形來(lái)改變超材料的結(jié)構(gòu)。

4 人工電磁材料的傳感特性概述

近年來(lái)科學(xué)家提出一種電磁超材料的替代傳感平臺(tái)，電磁超材料可被看作是一種提供有效電磁響應(yīng)的均勻材料，其通常使用具有介電間隙的金屬開(kāi)環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)諧振，根據(jù)它們的幾何形狀、相位以及內(nèi)容物可在比周期長(zhǎng)的波長(zhǎng)處與電磁波耦合，共振時(shí)在金屬回路中產(chǎn)生強(qiáng)烈的電流振蕩，在間隙中產(chǎn)生局域電場(chǎng)。這種局域共振場(chǎng)對(duì)亞波長(zhǎng)間隙區(qū)域介質(zhì)的變化非常敏感。以微流體傳感器為例，微流體傳感器由單個(gè)開(kāi)口諧振環(huán)（SRR）、超材料的基本構(gòu)造塊實(shí)現(xiàn)。在諧振時(shí)SRR產(chǎn)生一種限制在深亞波長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)的強(qiáng)電場(chǎng)，在該區(qū)域上的微通道中流動(dòng)的液體可以改變局域場(chǎng)分布，從而影響開(kāi)口諧振環(huán)共振行為。具體來(lái)說(shuō)，諧振頻率和帶寬受液體樣品的復(fù)合介電常數(shù)的影響，這不僅建立了傳感器共振與樣品介電常數(shù)之間的關(guān)系，也可估算液體樣品的復(fù)合介電常數(shù)。該技術(shù)能夠感應(yīng)液體在溝道中的流動(dòng)。如果需要準(zhǔn)確估計(jì)復(fù)雜介電常數(shù)，實(shí)現(xiàn)化學(xué)介電特性的多波段傳感，也可通過(guò)集成超材料與微流通道建立介電模型，隨著傳感器中諧振器數(shù)目的增加，可得到具有更詳細(xì)介電信息的介電譜曲線。

5 人工電磁材料的吸波特性概述

從微波到光學(xué)部分電磁光譜的超材料完美吸收器因其卓越的吸收電磁輻射的能力而得到了深入的研究。與上一節(jié)相對(duì)應(yīng)，完美超材料吸收器也可以廣泛應(yīng)用于傳感。其用于傳感的主要優(yōu)點(diǎn)是吸收器共振頻率的敏感位移，以及由于分析物與電場(chǎng)磁場(chǎng)在共振完美吸收頻率下的強(qiáng)烈相互作用而引起的共振振幅的急劇變化。超材料本身是一種遠(yuǎn)小于光波長(zhǎng)的具有結(jié)構(gòu)單元的共振金屬納米結(jié)構(gòu)，我們通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)其千兆赫茲頻率范圍內(nèi)的電磁響應(yīng)，超材料的完美吸收是可能的。我們?cè)谠O(shè)計(jì)超材料完美吸收器時(shí)也要考慮金屬薄膜中的阻尼對(duì)于在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)理想吸收具有重要的意義。

6 結(jié)束語(yǔ)

在這篇綜述中，我們重點(diǎn)討論了具有電磁光學(xué)特性的人工電磁材料的基本特點(diǎn)以及其一些應(yīng)用特性，比如傳感、調(diào)構(gòu)、吸波。超材料的上述定義一般包括周期性以及非周期性合成物，但我們主要關(guān)注的是周期性結(jié)構(gòu)，因?yàn)榈侥壳盀橹箤?shí)現(xiàn)的絕大多數(shù)超材料實(shí)際上都是基于周期性的平移不變性而展開(kāi)討論的。因此研究超材料最簡(jiǎn)單的例子是基于一種單一的塊體材料，在這種單一塊體材料中引入合理的周期性孔隙以獲得新的性能。在未來(lái)超材料也可更多的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，例如醫(yī)學(xué)、工業(yè)、安防等等。

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