超材料的太赫茲寬帶吸波體設(shè)計范文

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《物理學報》2014年第十二期

1結(jié)構(gòu)設(shè)計與機理

本文的設(shè)計思路是:首先設(shè)計五個吸收峰相互靠近的完美單峰吸波體,然后由這五個單峰吸波體按照相鄰不同規(guī)律排列成5×5的陣列,各單峰吸波體產(chǎn)生的諧振吸收峰相互疊加,從而產(chǎn)生寬帶吸收.

1.1單峰吸波體設(shè)計本文設(shè)計的吸波體是金屬-介質(zhì)-金屬三層結(jié)構(gòu),兩層金屬都采用金(ed),其電導(dǎo)率為σ=4.09×107S/m[?],中間介質(zhì)層為損耗聚合物(Polyimide)[?],其介電常數(shù)的實部εr=3.5,損耗角正切tanδ=0.057.器件性能仿真是在基于時域有限積分法的電磁波仿真軟件CSTMicrowaveStudio2011中進行,采用頻域求解器,x和y方向為周期邊界條件,z方向為開放邊界條件.單峰吸波體結(jié)構(gòu)如圖1所示,它的底面為金屬薄膜,表面金屬塊由一個正方形與位于四邊的四個相同半圓組合而成.兩層金屬厚度均為0.2µm,中間介質(zhì)厚度為1.2µm,x和y方向的周期大小均為20µm.當太赫茲波垂直表面入射時,吸波體的吸收率A由公式A=1−|S11|2−|S21|2計算,其中,S11和S21分別表示吸波體的反射系數(shù)和傳輸系數(shù),可由仿真計算得到.由于太赫茲在金屬中的趨膚深度約為70nm,小于金屬層厚度,故透射系數(shù)S21=0,吸收率A=1−|S11|2,要想獲得大的吸收率A,必須降低反射率.根據(jù)阻抗匹配理論,通過改變吸波體結(jié)構(gòu)參數(shù),可調(diào)節(jié)其等效阻抗直至與自由空間阻抗(約為377Ω)相匹配,此時反射率最小,吸收率最大.圖1中D表示金屬塊的總長度,w表示金屬塊中央正方形的邊長,且有D=2w.本設(shè)計中采用五種不同尺寸的金屬塊,經(jīng)優(yōu)化后,尺寸分別是D1=19µm,D2=17.86µm,D3=16.72µm,D4=15.58µm,D5=15.11µm的單峰吸波吸收曲線如圖2所示.由圖2可知,中間介質(zhì)層厚度為1.2µm時,五種尺寸金屬塊構(gòu)成的吸波體吸收率幾乎都達到了100%,D1,D2,D3,D4和D5金屬塊對應(yīng)的諧振吸收頻率分別為4.69THz,5.06THz,5.42THz,5.84THz和6.04THz.

1.2單峰吸波體吸波機理為了研究吸波體的吸波機理,我們對單峰吸波表面電流和電場z分量進行了計算與分析.以金屬塊尺寸為D3的單峰吸波體為例,在5.42THz處設(shè)置相應(yīng)的場監(jiān)視器,在正入射條件下計算得到的表面電流和電場z分量分布如圖3所示.由圖3(a)和(b)可知,在正入射情況下,表面金屬和金屬基底形成了反平行電流,這會導(dǎo)致很強的磁響應(yīng),從而在z方向上產(chǎn)生由入射磁場引起的磁諧振.由圖3(c)可知,異性電荷沿著y方向分別在表面金屬層的上半部分和下半部分積聚,同時,從圖3(d)可知金屬基底上對應(yīng)部位的電荷剛好與之相反,這說明在y方向上存在由電場引起的電偶極子諧振[?].這種強烈的電磁諧振,使得電磁能量被消耗在吸波體中,最終產(chǎn)生接近100%的吸收率.圖3(a)和(b)所示的磁諧振可以用一個如圖4所示的等效LC振蕩電路來表示。式中,等效電感Le正比于Dt/w,等效電容Ce正比于wD/(2t),其中D和w分別是金屬塊的總長度和中央正方形的邊長,t為介質(zhì)層厚度.由(??)式可知,諧振頻率與等效電感和等效電容乘積LeCe的平方根成反比,而LeCe正比于D2,則諧振頻率f應(yīng)與金屬塊尺寸D成反比,這與圖2的仿真結(jié)果完全一致.

1.3寬帶吸波體設(shè)計本文提出的寬帶吸波體是根據(jù)多吸收峰疊加擴展帶寬的原理,由圖2所示的五個相鄰諧振吸收峰疊加形成寬帶吸收.其表面金屬層包含五種尺寸接近的金屬塊作為諧振器,它們的排列規(guī)律是:在每一個陣列周期中,五種尺寸接近的金屬塊按照相鄰不同的規(guī)則排列成一個5×5的方形陣列,即每一金屬塊與其相鄰四塊尺寸均不相同,這樣就可以實現(xiàn)將五個相鄰的諧振吸收峰疊加,并最大限度地擴展帶寬.按照這種規(guī)律設(shè)計而成的太赫茲寬帶吸波體結(jié)構(gòu)如圖5所示.經(jīng)優(yōu)化后,寬帶吸波體在x和y方向上的周期大小均為100µm,相鄰金屬塊的中心間距d=20µm,各個金屬塊的尺寸D和圖2相同.為實現(xiàn)阻抗匹配,中間介質(zhì)層厚度t此時為2.65µm,兩層金屬厚度仍保持0.2µm不變,所有材料參數(shù)保持和單峰吸波體的相同.該寬帶吸波體的仿真結(jié)果如圖6所示.由圖6可知,寬帶吸波體的吸收率最高可達到98.7%,吸收率80%以上對應(yīng)的帶寬約為1.2THz,FWHM達到了1.6THz,吸收帶內(nèi)相對平坦.吸收帶的中心頻率約為4.98THz,對應(yīng)的中心波長為60.24µm,大約是吸波體總厚度3.05µm的20倍,說明該寬帶吸波體具有超薄的特點.

1.4寬帶吸收機理為了探討寬帶吸收的產(chǎn)生機理,我們對圖7(a)—(e)所示僅含單一尺寸金屬塊的吸波體進行了仿真,在其他尺寸和材料參數(shù)與上述寬帶吸波體完全相同的條件下,各吸波體的吸收曲線如圖7(f)所示.由圖7(f)可知,隨著吸波體表面金屬塊尺寸逐漸減小,諧振吸收峰逐漸藍移,對應(yīng)的吸收率逐漸減小.諧振吸收峰的變化趨勢與圖2完全一致,而吸收率逐漸減小是由于表面金屬層的歐姆損耗變得越來越小.同圖2所示的吸收曲線相比較,圖7(f)中各吸收曲線均未達到100%的吸收,因為此時吸波體的阻抗與自由空間阻抗不完全匹配.將這五種不同尺寸的金屬塊按照2.3所述的相鄰不同規(guī)律排列在一個周期單元中,各吸收峰會互相疊加,并且由于強烈的耦合效應(yīng)而相互加強,最終出現(xiàn)圖6所示的寬帶吸收效果.為進一步研究寬帶吸收機理,我們仿真了f=4.66THz,f=4.95THz,f=5.13THz,f=5.36THz和f=5.8THz五個諧振吸收頻率所對應(yīng)的金屬基底能量損耗密度,結(jié)果如圖8所示.由圖8可知,能量損耗是由y方向上電場引起的電偶極子振蕩產(chǎn)生,每一個諧振吸收頻率對應(yīng)的能量損耗密度主要由某一種尺寸的金屬塊貢獻,金屬塊尺寸與諧振單元金屬塊尺寸相差越遠,對應(yīng)基底位置的能量損耗密度則越小,寬帶吸波體的能量損耗是這五種不同尺寸金屬塊共同貢獻的結(jié)果.

2不同參數(shù)對吸收性能的影響

2.1相鄰金屬塊中心間距d的影響由于相鄰金屬塊之間存在強烈的電磁耦合,因此可以分析吸波體受不同金屬塊中心間距d影響的規(guī)律.當其他參數(shù)不變,表層相鄰金屬塊中心間距分別為d=19µm,20µm,21µm和22µm時,仿真得到的寬帶吸波體吸收曲線如下圖9所示. 由圖9可知,隨著相鄰金屬塊中心間距d的增大,吸收帶中心頻率逐漸藍移,這主要是因為隨著中心間距d的增大,相鄰金屬塊間的電磁耦合減弱,導(dǎo)致各金屬塊的等效電感變小,最終使諧振頻率增大.另外,間距d=21µm時,帶內(nèi)吸收率最大,因為此時吸波體與自由空間的阻抗匹配最好.綜合考慮吸收帶寬和吸收率的大小,我們選擇d=20µm為最終間距.

2.2介質(zhì)材料損耗角正切的影響設(shè)介質(zhì)層材料的復(fù)介電常數(shù)ε=εr+iεi,其中介電常數(shù)的實部εr=3.5,介質(zhì)的損耗角正切tanδ=εi/εr,當損耗角正切分別為0.057,0.0057和0.00057時,對應(yīng)的吸收曲線如圖10所示.由圖10可知,隨著損耗角正切的減小,吸收曲線下降且吸收帶寬變窄.這是因為入射太赫茲波能量的吸收主要歸因于介質(zhì)損耗和兩層金屬的歐姆損耗,損耗角正切值減小則介質(zhì)層的介電常數(shù)虛部減小,從而引起介質(zhì)損耗減小,最終導(dǎo)致電磁能量吸收減小.

2.3介質(zhì)層厚度的影響為了研究介質(zhì)層厚度對吸收性能的影響,我們仿真獲得了介質(zhì)層厚度分別為t=2.45µm,2.55µm,2.65µm,2.75µm和2.85µm時的吸收曲線,結(jié)果如圖11所示.由圖11可知,當介質(zhì)層厚度逐漸增大時,吸波體的吸收帶寬和帶內(nèi)吸收率變化很小,只是吸收帶中心頻率出現(xiàn)微小的紅移.這是因為電磁波在介質(zhì)層中傳輸時其路徑相位為[?]厚度,λ為入射太赫茲波波長.由于垂直入射到均勻介質(zhì)層的太赫茲波是平面波,故可認為φp為一定值.又由于入射角θ=0,介電常數(shù)實部εr=3.5,所以t/λ為定值,即介質(zhì)層厚度t與入射波長λ成正比.又因為真空中的光速c=λf,故波長λ與諧振吸收頻率f成反比,即介質(zhì)層厚度t與吸收頻率f成反比.因此當介質(zhì)層厚度增加時,吸收帶中心頻率紅移.圖11底部插圖表示f=5.13THz時,寬帶吸波體中金屬塊D3所在的吸波單元在y=0平面內(nèi)的能量損耗密度分布.由圖可知,能量主要損耗在金屬塊D3下表面兩端,介質(zhì)中的能量損耗很少,這說明寬帶吸波體的損耗主要是由金屬層歐姆損耗引起,故介質(zhì)層厚度的改變對吸收率影響很小.

3偏振敏感性和角度敏感性

3.1偏振敏感性當太赫茲波的入射角θ=0◦,位相角ϕ=0◦,15◦,30◦和45◦時,仿真得到的吸收曲線如圖12所示.由圖12可知,當位相角變化時,吸收曲線幾乎不變,這說明吸波體對入射太赫茲波的偏振方向不敏感,這主要歸因于器件結(jié)構(gòu)的對稱性,這一特性對太赫茲波探測具有十分重要的意義.

3.2角度敏感性當入射太赫茲波的位相角ϕ=0◦,入射角θ=0◦,15◦,30◦,45◦和60◦時,對應(yīng)的吸收曲線如圖13所示。由圖13可知,隨著入射角θ的增大,吸收率逐漸減小.這是因為,隨著入射角的增大,入射磁場的x分量逐漸減小,則在表面金屬塊之間的磁流密度越來越小,于是被吸收的磁能越來越少,從而電磁吸收也會越來越少[?].盡管吸收率隨入射角增大而減小,但入射角增加到60◦時,吸收率75%以上對應(yīng)的帶寬仍達到0.9THz,這仍然能夠滿足許多實際應(yīng)用的要求.

4結(jié)論

本文基于多諧振吸收峰疊加擴展帶寬的思想,提出了一種由五種尺寸接近的金屬塊按照相鄰不同規(guī)律排列構(gòu)成的寬帶太赫茲吸波體.該寬帶吸波體吸收率80%以上對應(yīng)的帶寬約為1.2THz,FWHM為1.6THz.太赫茲波的吸收由y方向上電場引起的電偶極子振蕩和z方向上磁場引起的磁極化產(chǎn)生,能量損耗以金屬層的歐姆損耗為主.在此基礎(chǔ)上建立起吸波體的等效LC電路模型,并用來解釋吸波體結(jié)構(gòu)參數(shù)對中心頻率偏移的影響機理.該寬帶吸波體由兩層金屬和一層介質(zhì)構(gòu)成,結(jié)構(gòu)簡單,加工容易,成本低廉.另外,吸波體對偏振方向不敏感,且具有大角度吸收和超薄的優(yōu)點.該寬帶吸波體在太赫茲頻段的電磁隱身、測輻射熱探測器以及寬帶通信等領(lǐng)域都有極大的應(yīng)用價值.若按比例改變吸波體的尺寸,可以將吸收頻率范圍降低到目前太赫茲常用的頻段(0.3—3THz),也可以拓展到微波和紅外等波段.

作者：鄒濤波胡放榮肖靖張隆輝劉芳陳濤單位：桂林電子科技大學電子工程與自動化學院空軍勤務(wù)學院