基于金屬開口環(huán)陣列的太赫茲各向異性超材料

夏良平，崔洪亮

1)長江師范學院電子信息工程學院，重慶 408100；2)中國科學院重慶綠色智能技術研究院應用物理研究中心，重慶 400714

各向異性材料是制作特殊電磁器件的基本材料之一，廣泛應用于光偏振轉(zhuǎn)換和隔離傳輸?shù)萚1-4]．傳統(tǒng)的各向異性材料主要基于晶體材料在不同方向的原子排布不同，因而對應不同的光學折射率[5-6]．光學各向異性材料的一個重要指標是其不同方向的折射率差，折射率差越大，越容易獲得輕薄的器件[7-11]．然而，對于波長較長的太赫茲波段，在天然材料中，依靠其原子排布的各向異性難以獲得較明顯的折射率差，因此其各向異性特征不明顯．

為獲得各向異性特征明顯的太赫茲材料，人們采用了各種辦法，包括通過控制纖維編織方向和用同一方向堆疊的紙片等[12]，利用人工方法增大所獲得材料在不同方向的差異性，以獲得較強的雙折射率差．然而，這些方式雖然在宏觀上獲得了遠大于天然材料的太赫茲各向異性特征，但仍具有較大的厚度，不利于制備輕薄的太赫茲器件．金屬超材料由亞波長尺度的金屬微納結(jié)構(gòu)構(gòu)成，不僅厚度小，而且由于微觀結(jié)構(gòu)的靈活性和金屬亞波長結(jié)構(gòu)強烈的色散特性[13-20]，有利于形成各向異性特征明顯的輕薄太赫茲器件．

本研究制作了由圓環(huán)型金屬開口環(huán)陣列構(gòu)成的太赫茲各向異性材料，實驗測試了其不同方向的透過譜差異，并與理論仿真進行對比，獲得良好的一致性．通過結(jié)構(gòu)共振特性分析討論了其產(chǎn)生各向異性的內(nèi)部機理．最后通過實驗測試了該各向異性材料對太赫茲波偏振態(tài)的轉(zhuǎn)換特性．

1 各向異性超材料結(jié)構(gòu)

所研究的金屬開口環(huán)陣列結(jié)構(gòu)及其組成的太赫茲各向異性超材料如圖1．整個結(jié)構(gòu)由一層薄的低損太赫茲聚合物襯底支撐，襯底表面為一層納米級厚度的金屬結(jié)構(gòu)．金屬結(jié)構(gòu)的內(nèi)部形貌如圖1右側(cè)，其由周期排布的金屬環(huán)組合，金屬環(huán)在水平和垂直方向的周期均為p， 在每個金屬環(huán)的水平方向均有1個開口．由于該開口只存在于x方向，因此構(gòu)成了x軸和y軸方向的結(jié)構(gòu)差異，該結(jié)構(gòu)差異將對穿透該結(jié)構(gòu)的太赫茲波產(chǎn)生不同的調(diào)制作用，最后形成太赫茲透射的各向異性．

圖1 基于金屬環(huán)形開口環(huán)結(jié)構(gòu)的太赫茲超材料示意圖Fig.1 The schematic diagram of the THz metamaterial with metallic slit ring array

對于這一各向異性超材料，其實驗制備方法主要為光刻，制作步驟如下：① 選擇在太赫茲波段吸收損耗和反射損耗均較小的聚合物薄膜作為支撐襯底，并在其表面采用磁控濺射沉積一層鋁膜；② 采用硬質(zhì)基底支撐法[21]，將鍍好鋁膜的聚合物薄膜固定在光滑的硬質(zhì)襯底上，在鋁膜表面旋涂光刻膠；③ 通過接觸式光刻對光刻膠進行圖形化，然后采用濕法腐蝕工藝將光刻膠圖形轉(zhuǎn)移到鋁膜上，最后洗掉殘余的光刻膠；④ 結(jié)構(gòu)制備完成后，將聚合物薄膜從硬質(zhì)襯底上取下，即獲得所需的結(jié)構(gòu)．

2 結(jié) 果

根據(jù)上述工藝步驟制作的金屬開口環(huán)陣列結(jié)構(gòu)的顯微鏡圖片如圖2(a)．在該結(jié)構(gòu)中，鋁膜的厚度為100 nm，金屬開口環(huán)周期p=250 μm，金屬環(huán)外半徑R=100 μm，金屬環(huán)寬度g=10 μm，開口大小w=10 μm．由圖2(a)可見，所制備的金屬開口環(huán)陣列結(jié)構(gòu)完整，均勻性好，滿足后續(xù)各向異性性能測試要求．

圖2 結(jié)構(gòu)制備結(jié)果及仿真、測試結(jié)果Fig.2 The fabrication structure and simulation and measurement results

在對所制備的金屬開口環(huán)陣列結(jié)構(gòu)進行測試前，首先研究該結(jié)構(gòu)在太赫茲波段的電磁特性．理論仿真采用有限元數(shù)值計算方法，設置與實驗相同的結(jié)構(gòu)參數(shù)．在仿真過程中，聚合物襯底的厚度設置為35 μm，相對介電常數(shù)為ε=3， 金屬的電導率設為3.5×107S/m, 仿真單元的邊界條件為周期邊界．通過改變?nèi)肷涮掌澆ǖ臉O化方向，獲得該結(jié)構(gòu)在水平(H)極化和垂直(V)極化下的太赫茲透射譜，分別如圖2(b)中黑色實線和紅色實線所示．仿真結(jié)果顯示，兩種極化在不同頻率上產(chǎn)生了透射極低的波谷．對于H極化，該結(jié)構(gòu)在0.415 THz處的透射率接近0，表明在這一頻率下，結(jié)構(gòu)激發(fā)了太赫茲波共振；對于V極化，其在0.703 THz處的透過率接近0，表明對于這一極化方向，在該頻點激發(fā)了太赫茲波共振．這兩個方向所激發(fā)的共振頻率存在顯著差異，表明這一結(jié)構(gòu)在水平和垂直方向上存在強烈的太赫茲各向異性．

在實驗測試中，采用飛秒激光泵浦的太赫茲時域光譜系統(tǒng)，對所制備超材料的透射率進行測試．測試結(jié)果如圖2(b)中黑色點和紅色點所示，分別對應H極化和V極化入射兩種情況．這一結(jié)果表明，實驗測試的光譜波形、透射率波谷位置等特征與理論仿真結(jié)果吻合度較好，表明所制備的金屬開口環(huán)陣列太赫茲超材料在兩個不同偏振方向上確有強烈的太赫茲各向異性特征．

3 分 析

為明晰所制備金屬開口環(huán)陣列產(chǎn)生太赫茲各向異性特征的內(nèi)部作用機制，進一步對兩種不同極化下共振頻率處的場分布情況進行仿真分析．

圖3(a)為獲得的H極化下的電場強度分布情況，所對應的共振頻率為f=0.415 THz，這一分布結(jié)果表明，共振主要產(chǎn)生于金屬環(huán)的左右兩側(cè)耦合和兩水平相鄰的金屬環(huán)之間的耦合，并在金屬環(huán)的左右兩部分周圍形成強烈的局域場．金屬開口對其影響不大，并在金屬環(huán)的上下兩部分形成很弱的電場分布，表明該部分金屬環(huán)的導電性好，未形成電勢差．而對于圖3(b)所示V極化下的電場分布，對應共振頻率為f=0.703 THz，其在上下兩部分的電場強度分布與H極化的水平分布基本一致，主要為上下兩部分的耦合共振和相鄰金屬環(huán)之間的耦合共振．與H極化明顯不同的是在開口處，由于開口切斷了金屬環(huán)，因此在開口位置產(chǎn)生強烈的電荷集聚，并在開口附近形成強烈的局域電場．正是由于這一共振模式的區(qū)別，使得該結(jié)構(gòu)在H方向和V方向產(chǎn)生強烈的太赫茲各向異性．

圖3 不同極化方向下共振頻率處的電場分布Fig.3 The electric field distribution at the resonant frequency in different polarization directions

為進一步討論所制備太赫茲各向異性超材料的性質(zhì)，對其偏振轉(zhuǎn)換特性進行測試．測試方法如圖4．在太赫茲時域光譜測試系統(tǒng)中，入射端的太赫茲波為H極化，探測端為V極化．若中間沒有任何器件，其測試結(jié)果如圖5(a)中黑色曲線所示，探測端接收到的能量基本為0．太赫茲超材料器件從水平位置開始旋轉(zhuǎn)，每旋轉(zhuǎn)一定角度測量一次接收端的能量大小．在不同的旋轉(zhuǎn)角度下，所獲得的光譜測試結(jié)果如圖5(a)，其給出5°、25°、45°、65°和85°的探測結(jié)果．結(jié)果顯示，當超材料器件旋轉(zhuǎn)45°時，其因各向異性而獲得的偏振轉(zhuǎn)換能力在H極化的共振頻率位置附近達到最大，并隨角度遠離45°而衰減．提取共振頻率下不同角度探測器接收到的能量大小，獲得了如圖5(b)中黑色點所示的測試結(jié)果．該結(jié)果的紅色擬合曲線表明，隨著超材料旋轉(zhuǎn)角度的變化，探測端接收到的V方向極化能量滿足正弦分布，其正弦曲線的頂點對應旋轉(zhuǎn)角度為45°，表明此時該各向異性超材料對太赫茲波的偏振轉(zhuǎn)換能力達到最大，當旋轉(zhuǎn)角度為0°和90°時，該超材料不具備偏振轉(zhuǎn)換能力，這一特性與常規(guī)的光學雙折射材料一致．

圖4 偏振轉(zhuǎn)換測試方法Fig.4 The measurement method of polarization conversion

圖5 不同角度下偏振轉(zhuǎn)換的實驗測試結(jié)果Fig.5 The measured results of the polarization conversion at different angles

結(jié) 語

本研究對一種基于金屬開口環(huán)陣列結(jié)構(gòu)的太赫茲各向異性超材料進行探討，通過理論仿真和實驗測試對其雙折射性能進行驗證，同時分析其不同極化方向的結(jié)構(gòu)內(nèi)部共振模式．通過實驗對該各向異性超材料在太赫茲波段的偏振轉(zhuǎn)換特性進行測試．結(jié)果表明，其偏振轉(zhuǎn)換規(guī)律與常規(guī)的光學雙折射材料一致．該各向異性材料可用于制作輕薄的太赫茲玻片及太赫茲隔離器等．