超材料吸收器設(shè)計(jì)方法的研究進(jìn)展

胡丹 王可心王娩寧

摘要：超材料是由人工合成的新型材料，其電磁響應(yīng)主要取決于構(gòu)成材料性質(zhì)以及微結(jié)構(gòu)的物理尺寸和結(jié)構(gòu)排列。超材料吸收器通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)合理的微結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)特定頻段電磁波的完美吸收。超材料吸收器具有厚度薄、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、吸收率高等優(yōu)勢(shì)，可廣泛應(yīng)用于電磁隱身、折射率傳感、熱成像、電磁屏蔽等領(lǐng)域。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上簡(jiǎn)要綜述幾種類型的超材料吸收器的設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：超材料；吸收器；頻帶

超材料是指一種自然材料所不具備的反常電磁特性的人工合成材料，近年來(lái)其研究受到各界廣泛的關(guān)注。利用超材料可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的波長(zhǎng)、相位、偏振態(tài)、傳播方向以及角動(dòng)量的靈活有效調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)折射、平板透鏡以及電磁隱身等新奇的電磁特性。超材料一個(gè)特別引人關(guān)注的應(yīng)用領(lǐng)域是電磁波“完美吸收器”，完美吸收器是美國(guó)波士頓學(xué)院Landy等人在2008年首次提出的，這是一種基于超材料的電磁共振吸收器，通過(guò)合理設(shè)計(jì)器件的結(jié)構(gòu)尺寸和材料參數(shù)，入射電磁波能夠在結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生反向電流，從而使電磁波局域在介質(zhì)層內(nèi)實(shí)現(xiàn)特定電磁波的完美吸收。[1]目前，吸收器的潛在應(yīng)用包括電磁隱身、熱成像、折射率傳感等領(lǐng)域。筆者分類簡(jiǎn)要介紹了不同類型的超材料吸收器的設(shè)計(jì)方法。

一、單頻帶超材料吸收器

單頻帶超材料吸收器可應(yīng)用于提高器件在某個(gè)單一頻率點(diǎn)的探測(cè)性能。常見(jiàn)的單頻帶超材料吸收器是由亞波長(zhǎng)金屬結(jié)構(gòu)/介質(zhì)/金屬膜所構(gòu)成的三明治結(jié)構(gòu)，例如，Tao等人利用金屬劈裂環(huán)/介質(zhì)/金屬膜結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了超材料吸收器在太赫茲波段的單頻帶吸收，在共振頻率1.6THz處對(duì)入射波的吸收率高達(dá)97%，對(duì)不同傾斜角入射的TM和TE波都能夠?qū)崿F(xiàn)良好的吸收效果。[2]隨后，眾多科研人員開(kāi)始對(duì)單頻帶超材料吸收器進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究，其研究頻率范圍也從開(kāi)始的微波波段逐漸擴(kuò)展到太赫茲、紅外、可見(jiàn)光。此外，基于全介質(zhì)或全金屬結(jié)構(gòu)的超材料吸收器也可以實(shí)現(xiàn)單頻帶的完美吸收，例如，美國(guó)杜克大學(xué)的Liu等人利用高摻雜硅設(shè)計(jì)超材料吸收器，實(shí)驗(yàn)上在1.186THz頻率處實(shí)現(xiàn)了97.5%的完美吸收。[3]二、雙頻帶超材料吸收器

在某些情況下，超材料器件需要在兩個(gè)頻率點(diǎn)同時(shí)具有良好探測(cè)性能，因此需要雙頻帶超材料吸收器，這就要求吸收器能夠在兩個(gè)頻率處同時(shí)具有良好的吸收效率。雙頻帶吸收器結(jié)構(gòu)與單頻帶類似，多采用“金屬微結(jié)構(gòu)/介質(zhì)/金屬膜”的三明治結(jié)構(gòu)，只不過(guò)在微結(jié)構(gòu)陣列中的每個(gè)結(jié)構(gòu)單元是由兩個(gè)不同尺寸的相似結(jié)構(gòu)所構(gòu)成，各自對(duì)應(yīng)一個(gè)頻率的吸收峰。例如，Wen等人設(shè)計(jì)和制備了金屬劈裂環(huán)/介質(zhì)/金屬膜結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果顯示此吸收器可在0.45THz和0.92THz處分別實(shí)現(xiàn)80.8%和63.4%的吸收效率。[4]

三、多頻帶超材料吸收器

與雙頻帶吸收器的設(shè)計(jì)方法相類似，常通過(guò)多個(gè)不同尺寸的相似結(jié)構(gòu)構(gòu)成一個(gè)結(jié)構(gòu)單元來(lái)增加更多的共振頻率，以實(shí)現(xiàn)多個(gè)頻帶的完美吸收，從而滿足多個(gè)頻帶的高探測(cè)性能的需求。例如，Shen等人提出三個(gè)嵌套的金屬環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)三個(gè)頻帶的高吸收，理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在4.06GHz、 6.73GHz、9.22GHz三個(gè)頻帶處分別實(shí)現(xiàn)吸收率為99%、93%、95%。[5]此外，通過(guò)單個(gè)結(jié)構(gòu)激發(fā)更多級(jí)次的等離子體共振，同樣也可以實(shí)現(xiàn)多頻帶的高吸收效率，例如，Hu等人提出“U”形金屬環(huán)，在太赫茲頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了六個(gè)頻帶的高吸收率。

四、寬頻帶超材料吸收器

單頻帶、雙頻帶等窄帶吸收器可用于窄帶探測(cè)、傳感、成像等。然而，在許多實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，例如寬帶傳感、寬帶增透膜、寬帶熱輻射計(jì)等，需要寬帶的超材料吸收器才能滿足要求。對(duì)于寬頻帶超材料吸收器的設(shè)計(jì)，研究人員主要從以下幾個(gè)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)：一、結(jié)構(gòu)相似但尺寸不同的金屬結(jié)構(gòu)作為一個(gè)結(jié)構(gòu)單元陣列實(shí)現(xiàn)寬帶高吸收；二、雙層或多層金屬結(jié)構(gòu)堆棧來(lái)加寬吸收器的吸收帶寬；三、基于全介質(zhì)材料的超材料吸收器同樣可以實(shí)現(xiàn)寬帶高吸收率，例如，Pu等人利用重?fù)诫s硅構(gòu)造光柵結(jié)構(gòu)，通過(guò)相消干涉和衍射的完美結(jié)合實(shí)現(xiàn)寬帶吸收。

五、總結(jié)

本文簡(jiǎn)單介紹了幾種類型的超材料吸收器，典型的超材料吸收器為金屬結(jié)構(gòu)/介質(zhì)/金屬膜的三明治結(jié)構(gòu)單元陣列，通過(guò)改變頂層金屬結(jié)構(gòu)的形狀、大小可以獲得所需要的吸收頻率。雙頻帶、多頻帶、寬頻帶以可以通過(guò)在單頻帶吸收器的每個(gè)結(jié)構(gòu)單元的頂層中設(shè)計(jì)兩個(gè)、三個(gè)或更多的結(jié)構(gòu)相似尺寸不同的微結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。寬頻帶還可以通過(guò)雙層或多層金屬結(jié)構(gòu)堆?；蛉橘|(zhì)材料來(lái)實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]N.I.Landy et al，Phys.Rev.Lett.100，207402 （2008）.

[2]H.Tao et al，Phys.Rev.B 78，241103（R） （2008）.

[3]X.Liu et al，Opt.Express 25，191 （2017）.

[4]Q.Y.Wen et al.Appl.Phys.Lett.，95，241111（2009）.

[5]X.Shen et al.，Opt.Express 19，9401 （2011）.

[6]D.Hu et al，IEEE Photon.J.8，5500608 （2016）.

[7]M.Pu et al，Opt.Express 20，25513 （2012）.

作者簡(jiǎn)介：胡丹（1981），男，漢族，安徽宿州人，博士研究生，安陽(yáng)師范學(xué)院講師，研究方向：超材料、微納光子器件。