關(guān)于太赫茲超材料任意排列耦合的研究

景輝輝 王靜宜 韓家廣

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2016.22.045

摘 要：在太赫茲波段，通過對周期性結(jié)構(gòu)的超材料共振進(jìn)行分析研究，利用軟件對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得到結(jié)果。為了了解加工過程或者使用中產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)對太赫茲譜線透過率的影響以及其本身單元結(jié)構(gòu)的耦合，我們?nèi)藶榈馗淖兞藰悠返闹芷谛?，使其結(jié)構(gòu)從周期性變?yōu)闊o序進(jìn)行研究。使用的方法是切割樣品，再對切割的小樣品進(jìn)行任意排列，破壞其有序性。通過太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比分析與研究。進(jìn)而對單元結(jié)構(gòu)間耦合作用進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞：超材料 耦合 非周期性

中圖分類號：TB33 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）08（a）-0045-02

超材料是一種特殊的人工復(fù)合材料，是一種新的途徑來增強(qiáng)對材料的任意設(shè)計(jì)，控制電磁波[1-3]。其物理性質(zhì)主要不是取決于化學(xué)組成，而是由其內(nèi)部單元決定，這種內(nèi)部單元結(jié)構(gòu)如同一般材料的分子原子。超材料具有獨(dú)特的電磁性質(zhì)以及能產(chǎn)生特殊的物理性質(zhì)。我們所熟悉的左手射率材料就屬于超材料的一種。

太赫茲波段的研究正在迅猛發(fā)展，由于其有著巨大的應(yīng)用前景，如，在生物醫(yī)學(xué)、安全檢測、通信等領(lǐng)域方面。在太赫茲波段下超材料的研究正在逐漸興起和發(fā)展，對太赫茲能實(shí)現(xiàn)各種不尋常的功能器件具有重要的意義。包括太赫茲隱身器件，調(diào)制器，超透鏡，微波天線，理想吸收體，傳感器等[4-6]。

1 模擬與實(shí)驗(yàn)

超材料結(jié)構(gòu)單元的設(shè)計(jì)是一種類似/＼型的共振器。通過使用光刻技術(shù)將200 nm的Al光刻在640 μm的Si基底上，金屬Al結(jié)構(gòu)如圖1所示，即3個(gè)圓處于等邊三角形中心，三者用兩金屬條連接組合成一個(gè)單元。Al的電導(dǎo)率為= S/m，半導(dǎo)體Si介電常數(shù)=11.78。周期性單元結(jié)構(gòu)沿著x和y方向都是150 μm。且樣品大小為15 mm×15 mm。

模擬仿真采用商業(yè)軟件CST Microwave Studio來實(shí)現(xiàn)仿真模擬結(jié)果。由于樣品不完全對稱，太赫茲波的電場方向分別在x，y上透射，其透射光譜將對應(yīng)不同的結(jié)果。研究電場沿著y方向時(shí)樣品的透射光譜。此外分別對樣品旋轉(zhuǎn)30°、45°、60°、90°，進(jìn)行仿真模擬，可以得到新的不同的共振光譜。如圖2樣品旋轉(zhuǎn)后的結(jié)構(gòu)以及模擬結(jié)果所示。

圖2分別畫出了在不同的旋轉(zhuǎn)角度下樣品的放置。當(dāng)樣品旋轉(zhuǎn)角度為零時(shí)，有一個(gè)幅值較大的共振，在0.56 THz[7]。此時(shí)電場的方向沿著y軸，通過表面電流的分布來分析，可以把/＼型共振器結(jié)構(gòu)簡化為一個(gè)有一定等效長度和寬度的金屬棒，類似于電偶極子共振，其共振頻率與等效長度和寬度有關(guān)。當(dāng)樣品偏離零度有一定的小角度時(shí)，共振頻率譜線出現(xiàn)了新的變化，0.56 THz共振頻率處幅值逐漸減小，在0.37 THz頻率處出現(xiàn)了幅值較小的共振，此時(shí)有一定旋轉(zhuǎn)角度的樣品在電場y軸下可以等效為一個(gè)開口金屬環(huán)，類似于LC振蕩，其共振頻率與結(jié)構(gòu)本身的參數(shù)有關(guān)。隨著樣品角度的旋轉(zhuǎn)，共振幅值在0.37 THz頻率處不斷增強(qiáng)，在0.56 THz處不斷減弱，直至消失。

考慮到0.56 THz和0.37 THz是兩種性質(zhì)不同的共振激發(fā)，在與太赫茲波相互作用時(shí)，可以同時(shí)存在于樣品中，樣品的太赫茲透過率譜線就是這兩種共振相互作用耦合的結(jié)果。對應(yīng)于樣品結(jié)構(gòu)的不同或者角度的不同，兩種共振所占的比例不同，直接影響了兩種共振幅值的變化。

實(shí)驗(yàn)中我們采用太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)。所使用的光路為豎直的穿過樣品，樣品放置在比色皿內(nèi)。對樣品旋轉(zhuǎn)不同角度，獲得太赫茲透過率譜線，實(shí)驗(yàn)中樣品的透過率曲線隨著旋轉(zhuǎn)角度的變化與模擬結(jié)果一致，很好地驗(yàn)證了模擬結(jié)果。

上述情況都是基于周期性樣品結(jié)構(gòu)，單元結(jié)構(gòu)的角度變化，則透射譜線也將改變。若是在加工過程或者使用中產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的扭曲和改變，對太赫茲透過率的譜線以及其本身單元結(jié)構(gòu)的耦合有影響，因而研究非周期的性質(zhì)有著重要的意義。基于此我們?nèi)藶榈馗淖兞藰悠返闹芷谛?，使其結(jié)構(gòu)從周期性變?yōu)闊o序。使用的方法是切割樣品，再對切割的小樣品進(jìn)行任意排列，破壞其有序性。此時(shí)由于結(jié)構(gòu)的無序性，不能進(jìn)行模擬分析。只能通過實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行分析。

將周期性結(jié)構(gòu)破壞為不同程度的兩種方式，如，將樣品分別切割為16塊，100塊均勻的小樣品，放置在2個(gè)比色皿內(nèi)，結(jié)構(gòu)任意且排列緊密，通過太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究與分析。分別進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)來說明問題。如圖3所示，5組的排列我們通過對比色皿放在旋轉(zhuǎn)臺上進(jìn)行高頻率轉(zhuǎn)動來改變排列方式，每次轉(zhuǎn)動時(shí)間分別為1 min，2 min……5 min。轉(zhuǎn)動后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。圖3中的16-1，表示樣品切割的數(shù)量以及進(jìn)行的第1次實(shí)驗(yàn)，其他以此類推。

將樣品切割成均勻的16塊和100塊時(shí)，樣品的數(shù)目較多，由于結(jié)構(gòu)排列的無序性，不同結(jié)構(gòu)與太赫茲波相互作用激發(fā)產(chǎn)生兩種共振頻率，且不同結(jié)構(gòu)間相互耦合，使得太赫茲透過譜線，如圖3所示。對比進(jìn)行的5組實(shí)驗(yàn)，可以得到，在不同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，透過率的譜線在幅值上發(fā)生明顯的變化，頻率的變化不大。其中不同的幅值深度是與共振強(qiáng)弱有關(guān)。兩種共振方式相互作用，若是其中樣品旋轉(zhuǎn)角度小的數(shù)量占多數(shù)時(shí)，共振頻率在0.56 THz占主導(dǎo)，對應(yīng)的譜線幅值較深。若是樣品旋轉(zhuǎn)角度大的數(shù)量占多數(shù)時(shí)，共振頻率在0.37 THz在相互耦合作用中占主導(dǎo)，共振較強(qiáng)，此時(shí)對應(yīng)著其共振的幅值較深。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，頻率的變化不明顯可以得出在整個(gè)樣品切割以及改變角度下，并未產(chǎn)生新的共振激發(fā)方式，只有上述兩種共振方式相互疊加作用。是由于最小單元結(jié)構(gòu)類似于材料的分子成分并沒有變化。

由于樣品切割工藝的局限性，我們只能將樣品切割成100塊，若是再小的結(jié)構(gòu)，預(yù)想其透射光譜應(yīng)該在每一次實(shí)驗(yàn)中趨于一致，透射譜線在兩個(gè)共振頻率幅值上趨于均衡。

2 結(jié)語

綜合上述實(shí)驗(yàn)研究，樣品單元結(jié)構(gòu)的任意排列，將影響太赫茲透射光譜的改變。結(jié)構(gòu)單元之間的共振耦合作用使得共振幅值產(chǎn)生變化。為了了解加工過程或者使用中產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的變化對太赫茲譜線透過率的影響，我們?nèi)藶榈馗淖兞藰悠返闹芷谛裕蛊浣Y(jié)構(gòu)從周期性變?yōu)闊o序。通過太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比分析與研究。這項(xiàng)工作對研究周期性結(jié)構(gòu)的缺損或破壞等檢測方面也有潛在的應(yīng)用研究價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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