２０１７年ｏ９月 枣庄学院学报 Ｓｅｐ．２０１７ 第３４卷第５期 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＺＡ０ＺＨＵＡＮＧ ＵＮＩＶＥＲＳⅡＹ Ｖｏ１．３４ ＮＯ．５ 太赫兹超材料多频吸收器特性研究 张璋 ，于建达 ，姚建铨 ，韦德泉 （１．天津大学精密仪器与光电子工程学院激光与光电子研究所，天津３０００７２；２．枣庄学院光电工程学院，山东枣庄２７７１６０） ［摘要］基于嵌套式双开口金属谐振环结构设计了一种太赫兹超材料吸收器．研究表明这种吸收器在０．２—２ＴＨｚ范 围内呈现多频吸收的特性；通过改变开口尺寸和金属线宽发现：随着开Ｉ＝Ｉ宽度和金属线宽的增加，吸收频率都会发生 一定程度的蓝移；同时，当开口宽度为５ｕｒｎ，金属线宽为４ｕｍ时，器件吸收性能最佳，在１．４２ＴＨｚ处吸收率高达９８％． ［关键词】太赫兹；超材料；吸收器 ［中图分类号］ｏ４４１ ＴＢ３４ ［文献标识码］Ａ ［文章编号］１００４—７０７７（２０１７）０５—００３３—０７ ０引言 太赫兹波（ＴＨｚ）指的是频率处于０．１—１０ ＴＨｚ波段的电磁波．因其处于红外与微波 波段之间，ＴＨｚ波的各种物理特性在上个世纪九十年代之前还鲜有涉及，那段时期也被 称为“太赫兹空白”．随着ＴＨｚ探测及ＴＨｚ时域光谱技术的快速发展，ＴＨｚ技术在物理、 电子信息技术、生命科学、材料科学、雷达、安全检测、隐身材料等多个领域表现出了独一 无二的优越性和广阔的应用前景 “Ｊ．而随着各种应用的不断深入，对ＴＨｚ波各种特性例 如频率、相位及强度的成为了ＴＨｚ技术中重要的组成部分之一． 另一方面，具有负介电常数和负磁导率的超材料近年来成为了研究热点 一ｌｏ］．它是一 种新型人工复合结构，不同于自然界中的天然材料，电磁超材料可通过对结构单元的优 化和设计，使其展现出自然界材料不具备的电磁响应，能够实现对电磁波各种物理及空 间特性的人工动态． 超材料吸收器是一种基于在周期性金属结构单元共振下对入射电磁波产生高吸收 率特性的功能性器件，在通信、隐身及太阳能领域都有重要应用 ．本文利用方形嵌套式 双开口环结构设计了在ＴＨｚ波段工作的超材料多频吸收器．分析了不同线宽对超材料结 构的影响，发现吸收频率点会随着开口大小不同或者线宽不同而偏移．通过对谐振环结 构参数的优化，实现了太赫兹超材料吸收器在Ｏ．５５ＴＨｚ、１．Ｏ７ＴＨｚ和１．４２ＴＨｚ处分别高 达７８％、８０％和９８％的吸收率． １ 结构设计与数值仿真 本文利用ＣＳＴ微波工作室软件（ＣＳＴ ＭＷｓ Ｓｔｕｄｉｏ）对两个不同尺寸的方形开口环组 成的方形嵌套式开口谐振环结构进行仿真，通过计算不同结构参数下的吸收率对吸收器 吸收特性进行分析． 超材料结构示意图如图１所示，该超材料由三层组成，最底层为金膜，中间为聚酰亚 ［收稿日期］２０１７—０６—２６ ［基金项目］国家自然科学基金资助项目（项目编号：６１２７１０６６；６１７０１４３４）；中国博士后科学基金（项目编号：２０１５Ｍ５７１２６３）； 山东省自然科学基金面上项目（项目编号：ｚＲ２０１７Ｏ２２０ｏ４００）；山东省高等学校科技计划项目（项目编号： Ｊ１７ＫＡ０８７）；枣庄市科技成果转化及重点研发项目（项目编号：２０１６ＧＨ１９）；枣庄市科技计划项目（项目编号： ２０１６ＧＸ３１）． ［作者简介］张璋（１９９０一），男，贵州遵义人，天津大学精密仪器与光电子工程学院激光与光电子研究所与枣庄学院联合培养 博士研究生，主要从事太赫兹人工电磁超表面的研究． ・３３・ 枣庄学院学报 ２０１７年第５期 胺层，最顶层为两个嵌套在一起的方形开口金属环．其中顶层外环的长度为ｂ，环的线宽 为ｅ，开口向下，开口长度为ｆ，内环的长度为ｃ，环的线宽同外环相同为ｅ，开口向上，开口 长度同外环相同为ｆ，内外环的厚度都为ｍ．中层聚酰亚胺层的长宽均为ａ，厚度为ｎ．最 底层的金属膜长宽与聚酰亚胺层一样，长宽均为ａ，厚度为ｑ．顶层和底层的金属使用的 是金． ｍ ｑ 图１ 方形嵌套式开口环结构示意图 超材料吸收率的计算公式可表示为： Ａ（ ）＝１一Ｒ（ｃ￡Ｊ）一 （∞） （１） 其中Ｒ（ｏ９）＝ｌＳ．，ｌ 与 （ ）＝ｌＳ，．１ 分别表示超材料的反射率与透射率．在太赫兹波 入射的范围内，底层金属膜的厚度远远大于电磁波的趋肤深度，所以整体结构的透射率 为０．因此，整体超材料结构的吸收率只和反射率有关，超材料吸收率Ｈ－算公式ｎ－Ｉ简化为： Ａ（ｏ９）＝１一Ｒ（ｏ９） （２） （ａ） （ｂ） 图２谐振环开口尺寸为７ｕｍ时的反射率（ａ）以及吸收率（ｂ） ２分析与讨论 ２．１ 开口尺寸对吸收器性能的影响 首先设计顶层外环尺寸为ｂ＝３５ＵＩ９，ｅ＝５ｕｍ，ｆ＝７ｕｍ，开口向下；内测小环ｃ＝２５ｕ－Ｔ】， ｅ＝５ｕｍ，ｆ＝５ｕｒｎ，开口向上．两－５＂金属环厚度及底层金属厚度均为ｒｎ：０．２ｕｍ．中间聚酰 亚胺层ａ：４０ｕｒｎ，ｎ＝８ｕｒｎ．最底层的金属膜面积与聚酰亚胺层一致． ．３４・ 张璋，于建达．姚建铨。韦德泉太赫兹超材料多频吸收器特性研究 器件在０．２～２ＴＨｚ波段仿真得到的反射率如图２（ａ）所示．从图中发现设计的超材 料分另Ｕ在０．５５ＴＨｚ、１．０７ＴＨｚ及１．５５ＴＨｚ三个位置处均表现出明显的减反射效果．使用 ｌｌ》譬 Ｉｌ 的而提到的吸收牢计算公式（２）可以求得该结构对应的吸收率，如图２（ｂ）所示．我们可 以看到卡ｕ应波段存在三个明显的吸收峰，且－－ 个吸收峰的吸收率分别为８５％、７６％和 ８１％．这说明我们设计的方形嵌套式开Ｅｌ环结构在０．２～２ＴＨｚ波段内能够对入射电磁波 实现多频吸收的功能． 苗 ≈＾ ０∞盎《 Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ．ｆｒＩ￣） Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｆｒＨｚ） 图３谐振环开口尺寸为５ｕｍ时的反射率（ａ）以及吸收率（ｂ） 在上述结构设计基础上，对谐振环开口宽度进行调整，将原来７ｕｍ的开口宽度减小 到５ｕｍ，其他结构参数保持不变．利用同样的方法可计算得到在５ｔｉｍ宽的开口尺寸下结 构的反射率及吸收率，结果如图３（ａ）和（ｂ）所示．通过对图３（ａ）和图３（ｂ）的结果分析， 我们可以看到在０．２～２ＴＨｚ区域内依旧存在３－：个明显的吸收峰，但吸收频率位置和吸收 率都发生＿『较小变化，在０．５５ＴＨｚ、１．０５ＴＨｚ、１．５２ＴＨｚ三个位置处该结构分别达到了 ８１％、７３％、８０％的吸收率． 进一步缩小开口处尺寸至２ｕｒｎ，从图４（ａ）和（ｂ）的结果分析发现：三个吸收峰的峰 位和吸收率继续发生改变，在０．５２ＴＨｚ、０．９９ＴＨｚ和１．４６ＴＨｚ三个位置处该结构分别达 到了６５％、７０％、８３％的吸收率． （ｂ） Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｒｒＨｚ） Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｆ１ｒＨｚ） 图４谐振环开口尺寸为２ｕｒｎ时的反射率（ａ）以及吸收率（ｂ） ・３５・ 枣庄学院学报 ２０１７年第５期 为 ｙ－更直观地说明结构吸收特性随－ＹＦ口尺寸变化的关系，我ｆｌ－］将这三种不同开［１尺 寸所得结构的吸收率放在同一频率段下进行分析，得到如图５所示的结果．从图５所示 的结果中可以直观看到：该种超材料在０．２—２ＴＨｚ频率段中，能够实现在多个频率点的 吸波性能．而且这３个频率点的吸收率都相对较高．但是随着开口尺寸的变化，吸收峰对 应的频率点会发生偏移：随着开口尺寸增大， 个吸收峰峰位均发生一定程度的监移，在 吸收位置１，２，３－＃Ｊｚ的最大频率位移分别为０．０３ＴＨｚ、０．０８ＴＨｚ和０．０９ＴＨｚ．同时，随着开 口尺寸的增大，该结构在不同频率位置处的吸收率也有所变化，其中，在０．５５ＴＨｚ处吸收 率最大，为８５％，而其他位置处吸收率略有下降． 皇 ’； ‘＿ ０ 。盘 《 Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ＂ｆｒＨｚ） 图５不同开口尺寸所得超材料在同一频率段（０．２—１０ＴＨｚ）下的吸收率 为ｒ进一步探讨这三个吸收峰的来源，我们选取开口尺寸为５ ＬｌＩｎ的结构，汁算开口 谐振环结构在不同吸收频率下对应的电流密度分布．由图６（ａ）所示的电流密度分布图 可知，在０．５５ＴＨｚ处电流密度主要集中在内环分布，同时沿着内环做环向流动． 此可推 断在０．５５ＴＨｚ处产生的吸收峰是由内环的ＬＣ共振模产生的；同理，ｒ｝】图６（ｂ）所永的电 流密度分布图可知，在１．０５ＴＨｚ处产生的吸收峰是由外环ＬＣ共振模产生的； 从图６ （ｃ）所示的１．５２ＴＨｚ处电流密度分布情况来看，此时在内环处的环形电流分布及外环处 微弱的对称电流分布同时存在，因此在这个频率下产生的吸收峰可能是由内环的ＬＣ振 荡模和外环的偶极子振荡模相互耦合而产牛的． 图６ 开口尺寸为５ｕｍ时谐振环在不同频率下对应的电流密度分布． （ａ）０．５５ＴＨｚ（ｂ）１．０５ＴＨｚ（（・）１．５２ＴＨｚ ２．２谐振环线宽对吸收器性能的影响 除ｒ开口尺寸能对吸收器性能产生影响外，金属谐振环线宽的改变也能调节结构的 ・３６・ 张璋，于建达．姚建铨。韦德泉太赫兹超材料多频吸收器特性研究 吸收性能．保持一样的结构设ｉ－ｌ－，设置顶层外侧大环的ｂ＝３５ａｍ，ｆ＝５ｕｍ，开口向下；内测 小环的ｃ＝２５ａｍ，ｆ＝５Ｌｌｍ，开口向上；两个环及底部金属的厚度ｍ＝０．２ｕｍ；中层聚酰亚胺 亡＿ｌ 啦ｌＩ 掣 层的ａ＝４０ｕｍ，ｎ＝８ｕｍ．此时将两个环的线宽都设为ｅ＝６ｕｍ． 通过模拟仿真得到结构的反射率及吸收率，如图７所示．我们可以看到在０．２— 宣ｌ＾ 嚣譬 ２ＴＨｚ区域内存在四个明显的吸收峰，分别处于０．６１ＴＨｚ、１．０８ＴＨｚ、１．６２ＴＨｚ以及１． ７９ＴＨｚ四个位置，对应的吸收率分别达到了８８％、６７％、６５％、９３％． 壹一 霉＾暑ｅ∞盎≮ 嚣 嚣盘．１晕狮皇《 Ｆｒｅｑｕｅ￣ｅｙ（ｒｉｔｚ） Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｏ￣Ｉｚ） 图７谐振环线宽为６ｕｒｎ时的反射率（ａ）以及吸收率（ｂ） 在保持其他结构参数不变的条件下，进一步减小金属环线宽到ｅ＝５ｕｍ，得到如图８ 所示的结果．此时相比于金属线宽为６ｕｍ的情况下，频率处于Ｉ．７９ＴＨｚ的吸收峰消失， 另外三个吸收位置的频率和大小都发生变化，在０．５５ＴＨｚ、１．０７ＴＨｚ、１．５５ＴＨｚ三个位置 该结构分别达到了８１％、７３％、８０％的吸收率． Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ（ＴＨｚ） 图８谐振环线宽为５ａｍ时的反射率（ａ）以及吸收率（ｂ） 最后，将金属线宽缩小到ｅ＝４ｕｍ，得到结构的反射及吸收率如图９所示．通过对结 果的分析，我们可以看到三个明显的吸收峰，在０．５５ＴＨｚ、１．０７ＴＨｚ、１．４２ＴＨｚ三个位置， 该结构分别达到了７８％、８０％、９８％的吸收率． 类似地，我们将三种不同线宽的金属结构所得的吸收率放在同一频率段，如图１０所 示．发现这几个频率点的吸收率都相对较高，在线宽为４ｕｍ的情况下吸收率最大能达到 ９８％．不过随着金属线宽的改变，吸收频率和强度也会随之改变，金属线宽增大，吸收频 ・３７・ 枣庄学院学报 ２０１７年第５期 率发生蓝移，吸收率逐渐下降；当线宽增加到６ｕｍ时，在１．７９ＴＨｚ处会产生另外一个吸 收峰． ｕ０嚣糖譬 置ｌ＾ △ 拳№毒《 Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｆｒｎｚ｝ 图９誊 ＾Ｌ１０ｎｌｌ《． 谐振环线宽为４ｕｍ时的反射率ＦｒｅｑｕｅｎｃｙｆｆＨｚ） （ａ）以及吸收率（ｂ） 图１０不同金属线宽超材料在同一频率段（０．２—１ＯＴＨｚ）下的ｎＤ．收率 从上述￥，－ｊ－论不难发现，基于我们设计的嵌套式双开口金属谐振环的吸收特性随开口 尺寸及金属线宽的变化而变化，为了更加直观的描述吸收率随结构尺寸的变化关系，我 们对两种不同结构参数下最大吸收率进行了统计，列于表１中． 表１ 不同结构参数下最大吸收率及对应频率 ・３８・ 张璋。于建达。姚建铨。韦德泉太赫兹超材料多频吸收器特性研究 ３结论 设计了方形嵌套式开口环状结构的太赫兹吸收器并进行了ＣＳＴ模拟仿真．在开口尺 寸为７ｕｒｎ、５ａｍ及２ｕｒｎ下计算了器件的吸收率．结果表明器件在Ｏ．２—２ＴＨｚ频率段内存 在３个吸收峰，说明该超材料结构能够实现多频吸收的功能．比较三种开口尺寸下的吸 收率发现，该超材料结构的频率会随着开口尺寸的增加发生蓝移，并且最大吸收率会有 一定的提高，最高达到８５％．另外，不同金属线宽ｔｆＺＸ，￣＂器件的吸收性能产生影响．ｘ．－Ｊ－比线 宽为４ｕｒｎ、５ｕｒｎ和６ｕｒｎ下结构的吸收特性，发现该结构依然能够实现多频吸收的功能．并 且该超材料结构的频率也会随着金属线宽的增加而发生蓝移，而吸收率却略有下降，当 金属线宽为４ｕｒｎ时在１．４２ＴＨｚ处吸收率达到最大为９８％． 参考文献 ［１］Ｍ．Ｔｏｎｏｕｃｈｉ，Ｃｕｔｔｉｎｇ—ｅｄｇｅ ｔｅｒａｈｅｒｔｚ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］．Ｎａｔｕｒｅ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ，２００７，１：９７—１０５． ［２］Ｊ．Ｆｅｄｅｒｉｃｉ，Ｌ．Ｍｏｅｌｌｅｒ，Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ｔｅｒａｈｅｒｔｚ ａｎｄ ｓｕｂｔｅｒａｈｅｒｔｚ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ， ２０１０，１０７：１１１１０１—２１． ［３］Ｊ．Ｃｕｎｎｉｎｇｈａｍ，Ｍ．Ｂ．Ｂｙｒｎｅ，Ｌ．Ｄ．Ｚｈａｎｇ，Ｏｎ—ｃｈｉｐ ｔｅｒａｈｅｒｔｚ ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ａｎｄ ｉｍａｇｉｎｇ［Ｊ］．Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，２０１０，４６：￥３４． ［４］Ｂａｒｈ Ａ，Ｐａｌ Ｂ Ｐ，Ａｇｒａｗａｌ Ｇ Ｐ，ｅｔ ａ１．Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ ｆｉｂｅｒｓ ｆｏｒ ｔｅｒａｈｅｒｔｚ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ：ａ ｒｅｖｉｅｗ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２０１６，２２（２）：３６５—３７９． ［５］Ｖ．Ｇ．Ｖｅｓｅｌａｇｏ，Ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ ｏｆ ｓｕｂｓｔｎａｃｅｓ ｗｉｔｈ ｓｉｍｕｌａｔａｎｅｏｕｓｌｙ ｎｅｇａｔｉｖｅ ｖａｌｕｅｓ ｏｆ ｓ ａｎｄ ［Ｊ］．Ｓｏｖ．Ｈｙｓ． Ｕｓｐ，１９６８，１０（４）：５０９—５１４． ［６］Ｊ．Ｐｅｎｄｒｙ，Ｄ．Ｓｍｉｔｈ，Ｃｏｍｍｅｎｔ ｏｎ Ｗａｖｅ Ｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ ｉｎ Ｎｅｇａｔｉｖｅ—Ｉｎｄｅｘ Ｍｅｄｉａ：Ａｌｗａｙｓ Ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｎａｄ Ｖｅｒｙ Ｉｎｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ ［Ｊ］．Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ．Ｌｅｔｔｅｒｓ，２００３，９０：０２９７０３． ［７］姚建铨，梁兰菊．多层电磁超材料在太赫兹技术中的应用研究进展［Ｊ］．枣庄学院学报，２０１３，３０（５）：１—１１． ［８］梁兰菊，闰昕，姚建铨．光控电磁超表面太赫兹调制器的研究［Ｊ］．枣庄学院学报，２０１６，３３（２）：１０—１３． ［９］Ｌ．Ｃｏｎｇ，Ｎ．Ｘｕ，Ｊ．Ｇｕ，ｅｔ ａ１．，Ｈｉｇｈｌｙ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｂｒｏａｄｂａｎｄ ｔｅｒａｈｅｒｔｚ ｍｅｔａｍａｔｅｒｉｌａ ｑｕａｒｔｅｒ—ｗａｖｅ ｐｌａｔｅ［Ｊ］．Ｌａｓｅｒ＆ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｒｅｖｉｅｗｓ，２０１４，８（４）：６２６—６３２． ［１０］Ｊ．Ｇｕ，Ｒ．Ｓｉｎｇｈ，Ｘ．Ｌｉｕ，ｅｔ ａ１．，Ａｃｔｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｅｌｅｅｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ ｉｎｄｕｃｅｄ ｔｒｎａｓｐａｒｅｎｃｙ ａｎａｌｏｇｕｅ ｉｎ ｔｅｒａｈｅｔｒｚ ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ［Ｊ］．Ｎａｔｕｒｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２０１２，３：１５ １ １． ［１１］丁春峰，续宗成，张雅婷，等．电磁超材料吸收器在太赫兹波段的研究进展［Ｊ］．枣庄学院学报，２０１３，３０（５）：１２ —１８． ［责任编辑：闰昕］ Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ Ｍｕｌｔｉ——Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ａｂｓｏｒｂｅｒｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ ＺＨＡＮＧ Ｚｈａｎｇ ，ＹＵ Ｊｉａｎ—ｄａ ，ＹＡＯ Ｊｉａｎ—ｑｕａｎ ，Ｗｅｉ Ｄｅ—ｑｕａｎ （１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ａｎｄ Ｏｐｔｏ—ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｌａｓｅｒ ａｎｄ Ｏｐｔｏ—Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｔｉａｎｊｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３０００７２，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｏｐｔ—Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｚａｏｚｈｕａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚａｏｚｈｕａｎｇ ２７７ １ ６０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｔｅｒａｈｅｒｔｚ ａｂｓｏｒｂｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｎｅｓｔｅｄ ｓｐｌｉｔ ｒｉｎｇ ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ（ＳＲＲｓ）ｗａｓ 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