超材料的太赫兹宽带吸波体设计.docx

超材料的太赫兹宽带吸波体设计《物理学报》2014年第十二期1结构设计与机理本文的设计思路是:首先设计五个吸收峰相互靠近的完美单峰吸波体然后由这五个单峰吸波体按照相邻不同规律排列成5×5的阵列各单峰吸波体产生的谐振吸收峰相互叠加从而产生宽带吸收.1.1单峰吸波体设计本文设计的吸波体是金属-介质-金属三层结构两层金属都采用金(ed)其电导率为σ=4.09×107S/m[?]中间介质层为损耗聚合物(Polyimide)[?]其介电常数的实部εr=3.5损耗角正切tanδ=0.057.器件性能仿真是在基于时域有限积分法的电磁波仿真软件CSTMicrowaveStudio2011中进行采用频域求解器x和y方向为周期边界条件z方向为开放边界条件.单峰吸波体结构如图1所示它的底面为金属薄膜表面金属块由一个正方形与位于四边的四个相同半圆组合而成.两层金属厚度均为0.2µm中间介质厚度为1.2µmx和y方向的周期大小均为20µm.当太赫兹波垂直表面入射时吸波体的吸收率A由公式A=1−|S11|2−|S21|2计算其中S11和S21分别表示吸波体的反射系数和传输系数可由仿真计算得到.由于太赫兹在金属中的趋肤深度约为70nm小于金属层厚度故透射系数S21=0吸收率A=1−|S11|2要想获得大的吸收率A必须降低反射率.根据阻抗匹配理论通过改变吸波体结构参数可调节其等效阻抗直至与自由空间阻抗(约为377Ω)相匹配此时反射率最小吸收率最大.图1中D表示金属块的总长度w表示金属块中央正方形的边长且有D=2w.本设计中采用五种不同尺寸的金属块经优化后尺寸分别是D1=19µmD2=17.86µmD3=16.72µmD4=15.58µmD5=15.11µm的单峰吸波吸收曲线如图2所示.由图2可知中间介质层厚度为1.2µm时五种尺寸金属块构成的吸波体吸收率几乎都达到了100%D1D2D3D4和D5金属块对应的谐振吸收频率分别为4.69THz5.06THz5.42THz5.84THz和6.04THz.1.2单峰吸波体吸波机理为了研究吸波体的吸波机理我们对单峰吸波表面电流和电场z分量进行了计算与分析.以金属块尺寸为D3的单峰吸波体为例在5.42THz处设置相应的场监视器在正入射条件下计算得到的表面电流和电场z分量分布如图3所示.由图3(a)和(b)可知在正入射情况下表面金属和金属基底形成了反平行电流这会导致很强的磁响应从而在z方向上产生由入射磁场引起的磁谐振.由图3(c)可知异性电荷沿着y方向分别在表面金属层的上半部分和下半部分积聚同时从图3(d)可知金属基底上对应部位的电荷刚好与之相反这说明在y方向上存在由电场引起的电偶极子谐振[?].这种强烈的电磁谐振使得电磁能量被消耗在吸波体中最终产生接近100%的吸收率.图3(a)和(b)所示的磁谐振可以用一个如图4所示的等效LC振荡电路来表示。式中等效电感Le正比于Dt/w等效电容Ce正比于wD/(2t)其中D和w分别是金属块的总长度和中央正方形的边长t为介质层厚度.由(??)式可知谐振频率与等效电感和等效电容乘积LeCe的平方根成反比而LeCe正比于D2则谐振频率f应与金属块尺寸D成反比这与图2的仿真结果完全一致.1.3宽带吸波体设计本文提出的宽带吸波体是根据多吸收峰叠加扩展带宽的原理由图2所示的五个相邻谐振吸收峰叠加形成宽带吸收.其表面金属层包含五种尺寸接近的金属块作为谐振器它们的排列规律是:在每一个阵列周期中五种尺寸接近的金属块按照相邻不同的规则排列成一个5×5的方形阵列即每一金属块与其相邻四块尺寸均不相同这样就可以实现将五个相邻的谐振吸收峰叠加并最大限度地扩展带宽.按照这种规律设计而成的太赫兹宽带吸波体结构如图5所示.经优化后宽带吸波体在x和y方向上的周期大小均为100µm相邻金属块的中心间距d=20µm各个金属块的尺寸D和图2相同.为实现阻抗匹配中间介质层厚度t此时为2.65µm两层金属厚度仍保持0.2µm不变所有材料参数保持和单峰吸波体的相同.该宽带吸波体的仿真结果如图6所示.由图6可知宽带吸波体的吸收率最高可达到98.7%吸收率80%以上对应的带宽约为1.2THzFWHM达到了1.6THz吸收带内相对平坦.吸收带的中心频率约为4.98THz对应的中心波长为60.24µm大约是吸波体总厚度3.05µm的20倍说明该宽带吸波体具有超薄的特点.1.4宽带吸收机理为了探讨宽带吸收的产生机理我们对图7(a)