一种光激宽带蓝移可调太赫兹超材料完美吸收器仿真研究

王志豪

(湖北第二师范学院，湖北 荆州 430205)

1 绪论

1.1 太赫兹波段超材料吸收器简介

20世纪80年代中期以前，因为缺少有效的辐射源和高性能的放射线检测设备，没有能够得到足够的研究和应用，所以被称为“太赫兹间隙”。20世纪80年代以来，由于非常多新材料、新技术迅速的发展，尤其是超快激光的发展，让获得稳定的THz辐射源成了半常规技术，太赫兹波段的研究开始飞速发展。随着材料科学的发展，出现了一系列的太赫兹响应器件，为之后太赫兹波段超材料的研究奠基了基础。然而现在太赫兹波段辐射源的功率大部分都较低，为了获得灵敏、高效的太赫兹波探测器，研究和探索太赫兹波探测技术的重点放在了如何研究和发展太赫兹波段高吸收率探测器的结构。

1.2 太赫兹超材料吸收器国内外研究现状

天然材质的属性如磁导率和介电常数都是正数。Veselago在1968年经过数理分析之后，提出了磁导率和介电常数均为负的材料，他猜想，材料可以分为左手材料(ε、μ均为负)、右手材料(ε、μ均为正)、负磁导率(ε为正、μ为负)还有负介电常数(ε为负、μ为正)。天然材质大部分都是右手材料。1999年Perdry等人设计出一种亚波长开口谐振环结构[1]，该结构在微波波段实现了负磁导率。2007年A.Degiron，通过在一个分裂环谐振腔的间隙中掺杂一块低掺杂的半导体来动态地改变它的磁共振。H. Tao等人在2008年提出了一种超材料吸收器[2]，在太赫兹频率下有强共振吸收。

2 超材料吸收器的设计

2.1 超材料吸收器吸收原理

由疏松的材料构成的低密度型吸收器。由损耗泡沫形成的锥形或金字塔型的周期性二维阵列构成的几何过渡型吸收器。这两类吸收器都可以实现宽带吸收。由电阻片和介质层交替堆叠的多层结构构成的谐振型吸收器。这三种吸收器在太赫兹频段都无法使用。

2.2 本文采用的超材料吸收器结构设计与仿真

3 仿真模拟结果与讨论

在模拟中，假定没有光照的硅的电导率σSi为1 S/m。当光辐射入射到硅上时，光的能量超过半导体的带隙能量，就会产生过剩的载流子密度，硅的电导率从1 S/m可以改变到2 000 S/m。通过数值模拟计算，能够算出透射系数t与反射系数r(但是因为吸收器的底层使用的是一块连续金属导体平面，电磁波无法穿过超材料，所以t=0)，由A=1-r2计算得到吸收率R。

随着硅导电率的增大，第一共振吸收峰附近强度减弱，同时，第二共振吸收峰附近逐渐增强，如图2所示。对于σSi增大到2 000 S/m的过程，共振频率不断向高频移动，最大吸收峰由0.83 THz移动到1.8 THz，实现了一个相当宽的蓝移，高达54%。还有另一种通过改变介质层的厚度来实现可切换的毫米波吸收器的方法，改变介质的特性可以很容易地扩大磁偶。

4 论文总结和未来展望

4.1 论文总结

要想提高能在太赫兹波段响应的探测器的灵敏度，一般要在探测器外面套上一个吸收器，探测器的灵敏度取决于套在外面的吸收器的吸收率，探测器的探测带宽则取决于外面吸收器的吸收带宽。本文利用仿真软件Comsol Multiphysicis模拟仿真了一种基于开口谐振环的典型的三层结构太赫兹超材料宽带吸收器。

4.2 未来展望

本文模拟的太赫兹超材料宽带吸收器也有着很好的应用前景，通过模拟仿真加深对该类吸收器的了解，为探究太赫兹领域打好基础。