基于超材料的可调谐的太赫兹波宽频吸收器*

陈俊 杨茂生 † 李亚迪 程登科 郭耿亮 蒋林 张海婷 宋效先 3)‡ 叶云霞 任云鹏 任旭东 张雅婷3) 姚建铨 3)

1) (江苏大学机械工程学院, 镇江 212013)

2) (江苏大学微纳光电子与太赫兹技术研究院, 镇江 212013)

3) (天津大学精密仪器与光电子工程学院, 天津 300072)

随着频谱资源的日益稀缺, 太赫兹波技术在近十几年的时间里得到了越来越多的关注, 并取得了巨大的进展.由于高吸收、超薄厚度、频率选择性和设计灵活性等优势, 超材料吸收器在太赫兹波段备受关注.本文设计了一种“T”型结构的超材料太赫兹吸收器, 同时获得了太赫兹多频吸收器和太赫兹波宽频可调谐吸收器.它们结构参数一致, 唯一的区别是在太赫兹波宽频可调谐吸收器的顶端超材料层上添加了一块方形光敏硅.这种吸收器都是三层结构, 均由金属基板、匹配电介质层以及顶端超材料层组成.仿真结果表明, 太赫兹波多频吸收器拥有6个吸收率超过90%的吸收峰, 其平均吸收率高达96.34%.而太赫兹波宽频可调谐吸收器通过改变硅电导率, 可以控制吸收频带的存在与否, 同时可以调整吸收峰的频率位置, 使吸收峰频率在一个频带宽度大约为30 GHz的范围内调整.当硅的电导率为1600 S/m时, 吸收率超过90%的频带宽度达到240 GHz, 而且其峰值吸收率达到99.998%.

1 引 言

超材料是一种人工设计的周期阵列, 具有许多奇异的电磁特性, 如负折射率、非对称传输和交叉极化锥.所有的这些特殊特性使超材料成为电磁波吸收材料的优良候选材料.自从Landy等[1]第一次提出了由金属层-介质层-超材料层三层结构构成的超材料吸收器, 并从理论和实验证明了超材料吸收器的效用后, 类似结构的超材料吸收器得到了广泛的研究.此后, 研究工作在各种不同波段范围开展, 比如微波段、太赫兹波段和红外光波段等.同时, 不同结构的超材料吸收器层出不穷[2-5].然而,这些超材料吸收器大多数都是单频、双频或者是多频吸收器, 这种在分散频率点的吸收限制了这类吸收器在实际中的许多应用, 比如说传感器就需要宽频可调谐的吸收器[6-8].为了适应多功能太赫兹器件的发展, 具有可调谐或可切换吸收率功能的宽带吸收器具有重要的研究价值.目前, 基本上所有基于超材料结构的电磁波吸收器都是被动式的, 即通过调整吸收器的几何尺寸参数来达到调整吸收器吸收性能的目的, 这种器件一旦制备完成之后, 其吸收性能也就确定了[9].而日益复杂的电磁应用环境需要的是主动式的可调谐的电磁超材料吸收器,比如可以根据电磁环境的变化控制电磁超材料吸收器对电磁波的吸收率等[10-12].

在主动式可调谐的吸收器中, 大多是利用石墨烯或者二氧化钒来达到调节吸收谱的效果.因为石墨烯在可见光区域吸收率高达2.3%, 适合应用于太赫兹完全吸收材料[13,14].此外, 由于石墨烯的表面导电性可以通过改变化学势来调节, 因此石墨烯吸收体可以在多个频率下工作.而二氧化钒是一种室温相变材料, 当温度等于或大于其相变温度时,能显示金属特性, 当温度小于相变温度时, 能显示介电特性.它的电导率能在相变过程中迅速增加.但是, 采用石墨烯结构的吸收器往往需要用石墨烯构成复杂图案, 这使得生产工艺变得十分复杂; 而二氧化钒对温度敏感, 而且工作温度会限制在其相变温度点左右, 适用范围受到限制.使用金属薄板加电磁材料的方案是一种新的解决思路, 它既保留了结构简单、易于生产的特点, 也解决了吸收器只能被动调节的不足.

本文提出了一种“T”型结构的、太赫兹和远红外频率范围的超材料吸收器.它采用经典的金属层-介质层-超材料层的层状结构, 即以一块金属薄板作为基底, 以聚酰亚胺作为匹配介质层置于金属层之上, 最上面一层是带图案的金属-硅混合层.数值计算证明, 通过改变半导体的电导率, 所设计的吸收器可以在期望的频率范围内获得近乎完美的吸收.当硅电导率为 1600 S/m 时, 吸收器在0.786 THz 频率处达到吸收峰值, 其吸收率为99.998%, 而且吸收率超过90%的频带宽度达到了 240 GHz.另外, 通过调节硅片电导率, 可以轻易地调整吸收带的有无以及吸收峰频率点, 吸收峰频率点可在30 GHz的宽度范围内调整.

2 超材料太赫兹波吸收器件的设计

图1 超材料太赫兹波吸收器结构示意图 (a) 多频吸收器示意图; (b) 宽频可调谐吸收器示意图; (c) 吸收器剖面图; (d) 吸收器表面结构图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.

超材料太赫兹吸收器的单元结构如图1所示,两种吸收器结构参数完全相同, 唯一的不同点在于“T”型超材料太赫兹宽频可调谐吸收器在太赫兹波多频吸收器的顶端的超材料结构层加入了一块方形硅片[15].图1(a)和图1(b)为两种超材料太赫兹吸收器的仿真结构图, 可以看出所设计的太赫兹吸收器为三层结构, 其顶层设有图形结构, 且两种太赫兹吸收器的区别仅仅是有无方形光敏硅片.图1(c)为“T”型超材料太赫兹波吸收器的剖面图.其中, 底层为连续的金属薄膜Au, 厚度为h1; 中间层为聚酰亚胺介质层, 厚度为h2, 折射率设置为n=3.4; 最上面一层为由金属Au薄膜(或者金属Au薄膜和方形硅板, 硅板与Au板的厚度一致)制作而成的谐振单元, 厚度设置为h3.图1(d)为超材料吸收器的表面结构图(以超材料太赫兹波宽频吸收器为例), 如图所示, “T”型 Au 薄膜结构中间嵌入了一块边长为w的正方形硅板, 其中构成“T”型Au薄膜的两个矩形尺寸相同, 长、宽分别是a,b, 四个“T”型金属薄膜结构大小一致.超材料吸收器整体是一个 32 µm × 32 µm × 32 µm 的立方体, 其中a,b,w,q,h1,h2,h3等参数见表1.

表1 超材料太赫兹吸收器的结构尺寸Table 1.Structure dimensions of metamaterial terahertz absorber.

3 太赫兹波吸收器的原理与仿真模拟

众所周知, 吸收率A可用下式计算：

其中R,T分别表示反射率、折射率; 而S1,S2分别表示反射系数、透射系数.由于用来当作基底的金属板Au具有足够的厚度, 因此所提出的超材料太赫兹波吸收器的透射率接近于零, 即T≈ 0.将T≈ 0这个条件代入到 (1)式中, 可以得到

因此, 吸收率A可以简单地通过(2)式来计算.另外, 由于该超材料太赫兹波吸收器件的单元结构具有高度的几何旋转对称性, 因此对正常入射太赫兹波具有偏振不敏感特性.

在仿真模拟中, 所设计的超材料太赫兹波吸收器件被沿着Z轴方向的垂直入射的平面波照射.电磁场边界条件设置在X-Y平面上, 电矢量方向沿着X方向, 磁矢量方向沿着Y方向来确定边界条件, 而沿Z轴方向则使用完全匹配层, 使用时域求解器进行仿真, 即能够获得多带吸收器的反射曲线.其中, 金属 Au 的电导率为 4.561 × 107S/m,中间电介质层聚酰亚胺的相对介电常数ε= 3.4,方形硅板的电导率初始值设置为1 S/m.

4 仿真结果与分析

4.1 “T”型图案太赫兹超材料多频吸收器的仿真结果

根据上述模型, 利用计算机在 2.5—8 THz范围内计算“T”型图案太赫兹超材料多频吸收器的吸收光谱, 模拟计算结果如图2所示.从图2可以看到, 一共有6个吸收率超过90%的频率点, 分别是：在 2.918 THz 频率点处, 吸收率为 95.631%;在 3.7925 THz 频率点处, 吸收率为 99.508%; 在4.986 THz 频率点处, 吸收率为96.34%; 在6.966 THz频率点处, 吸收率为 94.835%; 在 7.2685 THz 频率点处, 吸收率为 96.485%; 在 7.4665 THz 频率点处, 吸收率为94.732%.6个吸收峰的平均吸收率达到了96.26%.此外, 吸收谱还显示出3个附加吸收峰的存在, 分别位于 5.5415, 7.5435 和 7.615 THz频率点, 吸收率分别为 78.756%, 75.852%, 80.625%.

图2 超材料太赫兹多频吸收器的吸收谱Fig.2.Absorption spectrum of metamaterial terahertz multi-band absorber.

4.2 “T”型图案太赫兹超材料宽频可调谐吸收器的仿真结果

将仿真计算的频率范围更改为0—3 THz, 图3所示的是硅电导率为初始值1 S/m时的吸收谱,可以轻易地发现, 在这种参数条件下, 本文提出的“T”型图案太赫兹超材料吸收器对太赫兹波吸收能力不尽如人意, 虽然有两个吸收峰, 但是吸收率都不高, 仅在2.412 THz处吸收率达到了54.39%,在2.826 THz处到达了82.03%, 此时的吸收器的吸收率过低, 不适合实际使用.在不改变其他条件的情况下, 用软件仿真计算了在σ1= 1 S/m,σ2=200 S/m,σ3= 400 S/m,σ4= 600 S/m,σ5=800 S/m,σ6= 1000 S/m 六种情况下的吸收器的吸收光谱, 结果如图4所示.我们发现, 逐渐增大硅片的电导率后, 吸收器的吸收光谱发生巨大的变化：原本在 2.412 THz 与 2.826 THz 频率处的吸收率下降, 值得注意的是, 在 0.5—1 THz 频带范围内出现了一个新的吸收峰, 这表明吸收峰频率发生了红移现象, 并且红移现象造成的频率移动高达2.04 THz.而且 0.5—1 THz 频带范围处的吸收峰的吸收率随着硅片电导率的增大而增大, 在硅片电导率达到1000 S/m的时候吸收率超过了90%, 变成一个宽频带太赫兹波吸收器, 其中峰值吸收率在 0.78 THz 处取得, 达到了 94.61%, 在这种情况下吸收率超过90%的频带宽度可以达到123 GHz.继续增大硅板的电导率, 超材料吸收器的吸收率超过90%的吸收频带逐渐变宽, 峰值吸收率也逐渐变大, 在电导率为1600 S/m的时候吸收频带最宽,拥有240 GHz的吸收率超过90%的频率范围, 如图5所示.在这种情况下, 峰值吸收率在0.786 THz处取得, 同样取得了最值, 达到了 99.998%, 表现出近乎完美的吸收性能.之后再继续增大硅板电导率, 超材料太赫兹吸收器的吸收太赫兹波的能力呈现一个下降的趋势, 当硅板电导率增大到3300 S/m时, 吸收器就失去了对太赫兹波的吸收能力(没有一个频率点的吸收率超过90%), 如图6所示.在增大硅板电导率的过程中, 除了出现吸收带宽先增大再减小的过程, 再一次出现了频率移动的现象, 只不过这一次频移现象是蓝移, 硅板电导率从1000 S/m 变换到 3300 S/m 的过程中, 峰值吸收频率点大约蓝移了30 GHz.

图3 硅电导率为 1 S/m 时的超材料太赫兹波吸收器吸收谱Fig.3.Absorption spectra of metamaterial terahertz absorbers when silicon conductivity is 1 S/m.

图4 硅电导率在 1—1000 S/m 范围内六种不同取值下的太赫兹波吸收器吸收谱Fig.4.Absorption spectra of terahertz absorbers with six different values of silicon conductivity in the range of 1-1000 S/m.

图5 硅电导率为 1600 S/m 时的超材料太赫兹波吸收器吸收谱Fig.5.Absorption spectra of metamaterial terahertz absorbers when silicon conductivity is 1600 S/m.

图6 硅电导率在 1000-4000 S/m 范围内六种不同取值下的太赫兹波吸收器吸收谱Fig.6.Absorption spectra of terahertz absorbers with six different values of silicon conductivity in the range of 1000-4000 S/m.

4.3 仿真结果分析

为了进一步地说明“T”型图案太赫兹超材料多频吸收器以及宽频可调谐吸收器的吸收机理, 分别研究了多频吸收器在各个吸收峰频率的磁场分布, 以及宽频可调谐吸收器在硅电导率为1600 S/m时0.78 THz频率点的上下表面的表面电流分布情况, 结果如图7和图8所示.

图7 多频吸收器超材料结构层在 2.918 THz 处的磁场分布情况Fig.7.Distribution of magnetic field at 2.918 THz in metamaterial structure layer of terahertz multi-band absorber.

由于多频吸收器各个吸收峰的物理机制相似,因此, 挑选了 2.918 THz 这个频率点进行说明.图7展示了多频吸收器超材料结构层的磁场分布情况,可以很明显地观察到, 在结构层中存在偶极子共振模式, 正是由于激发了偶极子共振模式[16,17], 因此该频率的太赫兹波能够被有效地吸收(以下会给出更进一步的说明).而且, 本文设计的多频吸收器存在多个腔室结构[18-21], 其他吸收峰的存在就是由于激发出了不同腔室之间的偶极子共振模式.

图8(a)和图8(b)分别展示了吸收器超材料结构层和金属基底在硅电导率为1600 S/m时0.78 THz频率点的表面电流的分布结果.我们知道, 顶层和底层结构内产生的反向平行电流可以形成电流环,这种电流的形成揭示出超材料太赫兹吸收器的磁偶极子共振模式被激发出来, 进一步地, 上下两个金属层上形成的表面电流向相反的方向流动形成的电流环会产生磁场, 磁场方向可以根据右手定则判断, 该磁场会与入射太赫兹波的磁场产生磁通耦合, 从而导致太赫兹波被器件吸收.根据图8(a)和图8(b)可以看到, 表面超材料层金属中的电流在X-Y平面内沿着X轴的负轴方向流动, 而金属基板上的电流方向则是向着X轴的正轴方向流动,根据右手定则, 可以判断出电流环感应出的磁场磁通方向是Y轴的负轴方向, 而在仿真模拟中设置的入射太赫兹平面波的波矢量的方向是沿着Z轴负轴方向, 因此电场和磁场分布在X-Y平面内, 感应磁场和入射太赫兹波相互耦合抵消, 太赫兹平面波消失, 表现出超材料吸收器对太赫兹波的吸收,这表明吸收峰的深层吸收机理是基于磁共振响应.另外, 0.78 THz这个吸收峰只有在电导率高时出现的原因是：在光照强度低、硅电导率低的情况下,硅表现出绝缘体的性质, 0.78 THz的太赫兹波无法在结构层和基板之间形成强烈的磁耦合, 因此0.78 THz 的吸收峰没有出现; 当光照强度变化, 硅电导率变大后, 硅越来越表现出导体的性质, 相当于改变了结构层的几何参数, 其共振频率也发生改变, 共振频率变化为 0.78 THz, 而且由于硅导体性质的不完全性, 其吸收峰的变化没有全金属结构层那么尖锐, 比较平缓, 导致宽频吸收特性的形成.

图8 宽频可调谐吸收器在硅电导率为1600 S/m时0.78 THz频率点的上下表面的表面电流分布情况 (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.

若改变光敏硅的尺寸以及位置, 吸收器就会失去宽频吸收特性或者吸收效果大大下降.由于表面图案的旋转对称性, 移动光敏硅的位置就会破坏表面对称腔结构, 减少旋转“T”型结构的共振模式,使得太赫兹波在结构之间激发磁耦合变得非常困难, 导致吸收器失去宽频吸收特性, 其吸收峰频率也相应减少; 而改变硅的大小, 结构的共振峰值频率随之变化, 但由于结构原因, 太赫兹波无法在结构之间激发出足够强的极子共振模式, 使得结构对太赫兹的吸收能力大大下降.

5 总 结

根据太赫兹波吸收机理, 设计了一种“T”型结构的可调谐的太赫兹宽频超材料吸收器, 同时获得了太赫兹多频吸收器和太赫兹波宽频可调谐吸收器.它们结构参数一致, 唯一的区别是在太赫兹波宽频可调谐吸收器的顶端超材料层上添加了一块方形光敏硅.这两种吸收器都是三层结构, 均由金属基板、匹配电介质层以及顶端超材料层组成.仿真结果表明, “T”型超材料太赫兹波多频吸收器具有多达6个吸收率超过90%的吸收峰, 其平均吸收率为96.26%.通过在太赫兹波多频吸收器的顶端超材料结构层加入一片方形光敏硅片, 就可以将多频吸收器转换为太赫兹可调谐宽频吸收器, 而且该宽频可调谐吸收器可以通过光辐射强度大小来调节超材料层的硅片电导率大小, 进而实现调节吸收器的吸收带的目的.当硅片电导率达到1600 S/m时, 吸收带宽达到最大, 为 240 GHz, 同时峰值吸收率也达到最大, 为99.998%.当硅片电导率从1 S/m 增大到 1000 S/m, 吸收峰从 2.826 THz 移到 0.78 THz, 出现了 2.046 THz 的频率红移现象,再继续增大硅片电导率, 吸收峰从0.78 THz缓缓转移至 0.81 THz, 出现了 30 GHz 的频率蓝移现象.器件的吸收机理来源于超材料吸收器的磁偶极子共振模式的激发.由于这些独特的性质, 本文所提出的超材料太赫兹波吸收器可能在光开关、光探测、光成像、带阻器件等领域具有潜在的应用价值.