电磁超材料吸收器在太赫兹波段的研究进展

丁春峰,续宗成,张雅婷*,闫昕

(1.天津大学 精密仪器与光电子工程学院,天津 300072；2.枣庄学院 光电工程学院,山东 枣庄 277160)

电磁超材料吸收器在太赫兹波段的研究进展

丁春峰1,续宗成1,张雅婷1*,闫昕2

(1.天津大学 精密仪器与光电子工程学院,天津 300072；2.枣庄学院 光电工程学院,山东 枣庄 277160)

基于电磁超材料的太赫兹吸收器通过合理设计结构尺寸和材料参数能够实现近完美吸收，因而受到学术界的关注，近几年对太赫兹吸收器的研究发展很快.本文综述了基于电磁超材料的太赫兹吸收器的研究进展，分别从理论、结构和性能对太赫兹吸收器的研究进行了介绍，最后对太赫兹吸收器的未来发展和待解决的问题进行了探讨.

太赫兹波；电磁超材料；吸收器；进展①

0 引言

电磁超材料(metamaterials) 是一种异于天然的人工复合结构或复合材料[1], 具有诸如负折射效应[2]、反常Doppler效应[3]、反常Cherenkov效应[4]、完美透镜[5]等超常物理特性.

鉴于超材料所表现出的奇妙性质，利用超材料来实现对电磁波的高吸收，近年来也受到广泛关注.从理论上讲，通过对特殊结构模型的优化设计，实现ε和μ的完美匹配，使电磁超材料吸收器与自由空间达到良好的阻抗匹配，以降低电磁波的反射；另外，激励ε和μ的谐振，使电磁波的透射很低，这样，将能实现对电磁波的高吸收.2008年，Landy等[6]和Tao等[7]分别在微波和太赫兹波段设计出基于电磁谐振的“完美”超材料吸波体.随后，研究人员又设计出极化不敏感[8]和宽入射角[9]的超材料吸波体．自此以后，太赫兹领域的超材料吸收器开始引起研究人员的关注，多种类型的太赫兹吸收器相继出现.电磁超材料吸收器的潜在应用包括测辐射热仪,电磁隐身[10]，热发射[11]以及传感等领域.

本文综述了当前基于电磁超材料的吸收器在THz波段的研究最新进展，分类介绍了不同功能超材料吸收器的结构及特点，电磁超材料吸收器在太赫兹波段的发展趋势和要解决的问题进行探讨.

1 电磁超材料吸收器的理论进展

对于一种给定的吸波材料，其吸波特性由传输率T(ω)和反射率R(ω)决定，即吸收率A(ω)可由下式表示：

A(ω)=1-T(ω)-R(ω)

(1)

如果在一定条件下，能够使T(ω)和R(ω)同时等于0或接近0，则A(ω)≈1，即实现了近完美吸收.关于如何实现完美吸收，目前有两种理论.

1.1 阻抗匹配理论

该理论认为，吸波材料要实现高吸收率，必须满足两个条件：1) 吸波材料阻抗必须尽量与自由空间阻抗数相匹配，以便能够使入射的电磁波最大限度地进入材料内部，即吸波器的阻抗Z要等于真空的阻抗Z0. 2) 吸波材料应该具备较大的电磁波衰减特性, 以便使进入材料内部的电磁波最大限度地被损耗掉.

由于

(2)

其中ε(ω)=ε(ω)′+iε(ω)"，μ(ω)=μ(ω)′+iμ(ω)".要满足条件1，要求ε(ω)′=μ(ω)′,ε(ω)"=μ(ω)".对于厚度为d的介质材料，要满足条件2，其实质是要求T(ω)=0,因为T=|t2|=e-2n"kd，其中t为透射系数[12]，即要求n"必须足够大，由(2)式可得n"≈ε"=μ"，即要求电磁超材料吸收器的虚部必须足够大.

电磁超材料可以通过对几何结构的设计调节与频率相关的电磁本构参数ε(ω)和μ(ω)，满足吸波材料设计的两个条件，从而可以制作成吸波材料.

1.2 干涉相消理论

2012年Hou-tong Chen提出了太赫兹超材料吸收器的干涉相消理论[13]，该理论工作原理如图1所示，太赫兹波在空气-金属结构表面进行反射和透射，其中，透射部分经过底部金属反射层反射后再次回到空气-金属结构表面发生反射和透射，其中一部分太赫兹波透射到空气中，如果该部分透射波和最初的反射波满足干涉相消条件，则可得R(ω)=0，又因为吸收器底层存在金属层，所以T(ω)=0，因此，根据公式(1)可知A(ω)=1，吸收器实现完美吸收.

图1 干涉相消原理图

2 实验研究进展

2.1 单频窄带吸收

超材料吸收器的设计首先是从单带吸收开始，吸收的频带较窄，HU Tao中设计、制作并刻画了一个高灵敏宽角度的太赫兹波超材料吸收器，实验证实，吸收率为0.97在1.6THz,而且吸收器的厚度仅有16微米厚，超材料吸收器的设计有三层，第一层和第三层为金属结构，中间一层为电介质，第一层为开口谐振环结构，主要决定介电常数，第一层和第三层在磁场的激励下会形成相互耦合的环形电流，形成磁共振，然后利用电磁仿真软件来优化结构的尺寸.图2就是作者设计的优化结构，第三层是金属，在整个频带中厚度超过了THz的趋肤深度，因此透射为零，只要尽可能的减少反射，就可以实现THz的完全吸收.

图3 仿真得到的超材料吸收器在不同入射角下的吸收随频率的变化情况(a)TE(b)TM

在图3中可以看出，对于TE模入射，吸收可以达到0.99，随着入射角的增大，入射角在500以上吸收依然超过0.89，尽管如此，吸收的频带很窄.

2.2 多频带吸收

目前多频吸收器的研究工作主要包括双频吸收器，三频吸收器，四频吸收器等.下面主要介绍三频吸收器的研究，三频吸收器是对双频吸收器的延伸，在文献[14]中提出了一种三频THz吸收器，是由单频吸收和双频吸收组合而成的，仿真结构如图4所示.理论和实验证实，在0.29THz,0.46THz,0.92THz具有明显的吸收，在提出的结构中，不同开口环之间的相互耦合在共振中起到了非常重要的作用.

2.3 宽带吸收

宽带太赫兹吸收器一直以来就是研究的热点，2010年，Ye等[15]提出了一种全方位极化不敏感的多层结构太赫兹宽频吸收器，层数增加到三层时实现了4.44THz到5.47THz的宽频吸收，而且三层结构的总厚度不到入射波长的1/15.2011年J.Grant[16]设计了三层极化不敏感的的太赫兹吸收器，实现了1.86THz 的宽频吸收，吸收效率为60%.2012年Li Huang[17]在单层吸收器表面设计两种不同金属结构，通过这两种不同金属结构的共振吸收峰的叠加实现了宽带吸收.2012年Zhaofeng Ma[18]设计了一种平顶金字塔形多层金属结构，该结构如图2所示，该结构的金属层选用电导率σ=4.09×107s/m的金，填充介质选用介电常数ε=3.5+0.02i的聚合物，具体结构尺寸如下p = 95 μm,Wt = 39.7 μm, Wb = 79 μm, T = 49.1 μm, tm = 0.2 μm. 从底层到顶成td依次为 8.7, 7.2, 6.1, 5.2, 4.5, 3.9, 3.4, 3, 2.7, 2.4 μm. 通过理论模拟计算，获得了10个间隔约等于0.1THz的吸收峰，这10个吸收峰叠加后得到了1.08-2.15THz的宽带吸收峰，吸收率达到90%以上.产生这种宽带吸收的原因可解释为，每一个共振峰对应一层金属结构，其中低频部分对应下层尺寸大的结构，高频部分对应上层尺寸小的结构，这10层金属结构同时共振产生了宽带太赫兹吸收.

图6 太赫兹吸收器的结构 (a):三维结构；(b):切面结构图

2.4 可调谐吸收

目前对太赫兹波段便捷可调吸收器的研究工作较少.文献[19]提出了一种光可调太赫兹波吸收器.通过改变外加光照强度来控制半导体硅的电导率，从而实现吸收器中心吸收频率的改变.当半导体硅材料的电导率σ从 1 S/m 变化为1.8×104S/m时， 吸收器中心吸收频率点从0.750 THz 变化为 1.309 THz，调节范围高达 0.559 THz.当电导率σ从 1.2×104S/m变化为1.6×104S/m时，吸收器中心吸收频率点从 1.320 THz 变化为 1.312 THz，可调谐范围仅为 8 GHz.研究结果表明，该吸收器可以同时实现中心吸收频率点的大范围和小范围的调节.

图7 不同硅电导率条件下吸收器的吸收率

文献[20]中提出了一种通过热控制可调谐的THz超材料吸收器，用半导体InSb代替金属，半导体的载流子浓度主要由温度决定，因此通过改变温度进而改变超材料的电感和电容.文献中设计的结构也为三层，上下为半导体InSb圆盘，中间为电介质.对于InSb来说，载流子浓度的公式为，

(3)

其中T为绝对温度，kB为波尔兹曼常数，载流子浓度又与等离子体频率有关，因此温度的改变会改变载流子浓度和等离子体频率，InSb更表现为金属的特性，在构建温度调谐超材料方面起到了重要的作用.

图8 吸收器的结构单元

图9(a) 依据仿真得到的不同温度下的(a)透射和(b)吸收图像

3 未来发展趋势

基于电磁超材料的太赫兹吸收器在短短的几年内已经取得了一定的研究进展而且也渐渐成为吸收器的研究热点，未来的研究大致分为以下几个方向：

宽带太赫兹吸收器：宽带吸收器在吸收，隐身，热发射，以及能量转换等领域具有广阔的应用前景.目前，太赫兹波段的宽带吸收器还处于起步阶段，它将是未来一段时间的一个研究热点.

可调谐太赫兹吸收器：可调谐吸收器可以灵活的实现对不同太赫兹波的吸收，并且可以实现对太赫兹波吸收程度的控制，具有广阔的应用前景.过去几年，已经实现通过电控液晶[21]、肖特基二极管[22]等或通过温控相变材料或InSb等实现了可调谐太赫兹吸收.随着微结构加工技术的提高和新材料的出现，相信越来越多的高性能太赫兹吸收器将会出现.

太赫兹吸收器的应用：目前关于太赫兹吸收器的应用还处在理论或实验室阶段，远远没有达到实际应用阶段，因此，关于太赫兹吸收器的应用有很多问题噬待解决，例如，如何结合使太赫兹吸收器与功能材料相结合，如何对太赫兹吸收器的采集信息进行收集等.结合太赫兹吸收器的特点，笔者认为，对太赫兹吸收器的应用研究和开发应主要集中在太赫兹探测器、传感器和太赫兹热光伏效应等领域.

4 结束语

综上所述，电磁超材料吸收器在太赫兹波段的研究已经取得了一定的进展，形成了初步的研究方向，但是，受限于太赫兹波段的特殊性，该领域的研究还任重道远.未来的研究将朝着太赫兹宽带吸收、太赫兹可调谐吸收，以及基于太赫兹吸收器的功能器件研究等方向发展.

[1]Veselago V G. The electrodynamics of substances with simulataneously negative values of ε and μ [J]. Sov. Hys. Usp, 1968,10(4): 509-514.

[2]Houck A A, Brock J B, Chuang I L. Experimental Observations of a Left-Handed Material That Obeys Snell’s Law [J]. Phys. Rev. Lett, 2003, 90(13): 137401.

[3]Seddon N, Bearpark T. Observation of the Inverse Doppler Effect [J]. Science, 2003, 302(5650): 1537-1540.

[4]Parazzoli C G, Greegor R B, Li K, Koltenbah B E C, et al. Experimental Verification and Simulation of Negative Index of Refraction Using Snell’s Law [J]. Phys. Rev. Lett, 2003, 90(10): 107401.

[5]Pendry J B. Negative Refraction Makes a Perfect Lens [J].Phys. Rev. Lett, 2000, 85(18): 3966-3969.

[6]Landy N I，Sajuyishe S，Mock J J，et a1．Perfect metamaterial absorber [J]．phys．Rev．Lett，2008，100(20)：7402-7405．

[7]Tao H，Landy N，IBingham C M，et al. A metamaterial absorber for the terahertz regime：design fabrication and characterization [J]．Opt．Express，2008，16(10)：7181—7188．

[8]Landy N I，BingamhC M，Tyler T，et al．Design，theory，and measurement of a polarization-insensitive absorber for terahertz imaging [J]．Phys．Rev．B，2009，79(12)：5104—5109．

[9]Tao H，Bingham C M，Strikwerda A C，et a1．Highly flexibile wide angle of incidence terahertz metamaterial absorber：design，fabrication，and characterization [J]．Phys．Rev．B，2008．78(24)：1103-1106．

[10]Landy N I，Sajuyishe S，Mock J J，et a1．Perfect metamaterial absorber [J]．phys．Rev．Lett，2008，100(20)：7402-7405．

[11]Schurig D, Mock J J, Justice B J. Metamaterial electromagnetic cloak at microwave frequencies [J]. Science, 2006, 314(5801 ): 977-980.

[12]Smith D R, Vier D C, Koschny Th,et al. Electromagnetic parameter retrieval from inhomogeneous metamaterials [J]. Phys．Rev．E，2005, 71(3): 036617.

[13]Houtong C. Interference theory of metamaterial perfect absorbers [J]. Opt．Express，2012，20(7)：7165-7172.

[14]Zhi C，Ya Xin Zhang. Planar terahertz metamaterial with three-resonant frequencies [J]. Chin. Phys. B，2013, 22(6):067802.

[15]Yu qian H, Yi J, Sai ling He. Omnidirectional, polarization-insensitive and broadband thin absorber in the terahertz region [J]. J Opt Soc Am B,2010, 27(3): 498-504.

[16]James G, Yong M, Shimul S, et al. Polarization insensitive, broadband terahertz metamaterial absorber [J]. Opt. Lett, 2011, 36(17), 3476-3478.

[17]Huang L, Chowdhury D R, Ramani S, et al. Experimental demonstration of terahertz metamaterial absorbers with a broad and flat high absorption band [J]. Opt. Lett, 2012, 37(2):154-156.

[18]Zhao feng M, Fei D. Ultra-broadband metamaterial absorber in terahertz regime [J]. ACP Technical Digest 2012 OSA, 2012, AF4A.25.

[19]程伟，李九生.一种光可调太赫兹波吸收器的设计[J].电子元件与材料，2013,32(7): 34-36.

[20]Tung Bui S, Dung Nguyen V, Khuyen Bui X, et al. Thermally tunable magnetic metamaterials at THz frequencies [J]. J. Opt, 2013,15: 075101.

[21]Hand T, Cummer S. Characterization of Tunable Metamaterial Elements Using MEMS Switches [J]. IEEE Ant. & Wireless Prop. Lett，2007 , 6: 401.

[22]Qian. Z, Lei. K, Bo. D, et al. Electrically tunable negative permeability metamaterials based on nematic liquid crystals [J]. Appl. Phys. Lett, 2007, 90(01):011112.

ResearchProgressofElectromagneticMetamaterialAbsorberinTHzFrequencies

DING Chun-feng1, XU Zong-cheng1, ZHANG Ya-ting1*,YAN xin2

(1.College of Precision Instrument and Opto-electronics Engineering, Tianjin University,CN-300072 Tianjin, China;2.Department of Opto-Electronic Engineering College,Zaozhuang University, Zaozhuang 277160,China)

Due to the capability of nearly perfect absorption of electromagnetic waves, the electromagnetic resonant absorber based on electromagnetic metamaterials which is designed reasonably with the physical dimensions of the devices and the parameters of the material draws great attention of the academics. Especially, the research of the terahertz (THz) absorber based on electromagnetic metamaterials has rapidly progressed in recent years.In this paper, the developments of the THz absorbers based on metamaterials are reviewed.The progress of absorbers'theory, the characteristics of the of absorber's structure and performance are introduced in classification, besides the future development of THz absorber and the problems to be resolved are discussed

terahertz (THz);metamaterial;absorber;progress

0441 TB34

A

1004-7077(2013)05-0012-07

2013-09-10

国家自然科学基金(项目编号：61271066);山东省2013科技发展计划项目(项目编号：2013GGA04021);山东省2013年高等学校科技计划项目(项目编号：J13LN07).

张雅婷(1983-)，女，天津人，天津大学精密仪器与光电子工程学院讲师，理学博士，主要从事纳米光电子学方向的研究.

闫昕]