太赫兹电磁超材料完美吸收器的研究进展

电磁超材料完美吸收器独特的亚波长结构能够与入射电磁波产生有效的电磁共振,在特定的频率范围内能够达到近乎100%的完美吸收。近年来,电磁超材料完美吸收器,特别是太赫兹波段完美吸收器受到了国内外研究人员的广泛关注,取得了一定进展。综述了基于太赫兹波段的电磁超材料完美吸收器的研究进展,阐述了超材料吸收器的基本结构特征、性能以及理论模型,并对太赫兹完美吸收器的未来发展趋势以及应用前景作了简要探讨。     

基于超材料的太赫兹超窄带吸收器设计及特性分析

提出了一种基于金属环结构的太赫兹超窄带吸收器,其结构单元为典型的金属-介质-金属结构,顶层金属图案由封闭金属环和四开口金属环组成,底层为连续金属板。对该吸收器的窄带吸收原理和吸收峰频率处吸收器结构的表面电流分布进行了研究。结果表明:该吸收器在1.7682THz处存在狭窄的吸收峰,吸收率为99.8%,相对于该谐振频率的半高全宽为0.51%,而且对x和y极化入射波具有极化不敏感。该吸收器具有结构简单、易于加工的优点,在生物传感、窄带热辐射和光电探测等领域有着重要的潜在应用价值。     

T形结构太赫兹超材料吸收器的设计与仿真

太赫兹频段的超材料吸收器可广泛应用于军事雷达及生物检测等方面.提出了T形结构的太赫兹超材料吸收器,其吸收率可达99.99％以上,接近完美吸收,并从结构尺寸及电流分布等方面说明了此结构的吸收率影响因素及吸波机理.为了使上述T形结构的适用范围更广,进一步提出了极化不敏感T形吸收器及频率可调T形吸收器.仿真结果表明,所设计的超材料吸收器具有较高的吸收率、较灵活的频率调节范围和不敏感的极化角度,具有较好的研究价值.     

基于二氧化钒超材料的双窄带太赫兹吸收器

提出一种基于二氧化钒(VO₂)超材料的吸收器,由3层结构组成,从上往下分别为2个VO₂圆、中间介质层和金属底板。仿真数据表明,该吸收器有2个很强的吸收峰,分别为4.96 THz和5.64 THz,相对应的吸收率为99.1%和98.5%。利用阻抗匹配理论和电场分布进行分析,阐明了吸收的物理机制,并进一步分析了结构参数对吸收率的影响。所提出的吸收器具有可调谐的特点,能够灵活调控吸收率,为太赫兹波的调控、滤波等功能的实现提供了良好的方案。该吸收器在图像处理、生物探测和无线通信领域都有潜在的应用。     

太赫兹超材料分束器设计及其特性分析

提出一种超材料太赫兹分束器,其单元结构由顶层金属条带、中间介质层和底层金属板组成。利用4个旋转步进为45°的单元周期排列构成了4×4的相位梯度超表面。当太赫兹波垂直入射到阵列表面时,电磁波被反射成四束能量相等但传播方向不同的波,且不同频点的反射角不同。该分束器具有体积小、成本低的优点,可应用于太赫兹隐身和太赫兹成像等方面。     

可用于农药传感的多带太赫兹超材料吸收器

多带太赫兹超材料吸收器是响应、操纵和调制太赫兹波的重要光子元件。本文基于周期性分裂环谐振器结构构建了一种多带太赫兹超材料吸收器。模拟和实验测试显示,在横磁(TM)极化情况下该超材料吸收器对0.918 THz和1.581 THz处的入射太赫兹波呈现出近似完美吸收。进一步,基于器件共振吸收峰的介电敏感特性,研究了负载不同浓度的多菌灵、三环唑、百草枯、塞苯隆4种农药溶液后超材料吸收器的传感性能,获得器件对4种农药的检测灵敏度分别为：1.06 GHz/ppm、0.65 GHz/ppm、0.67 GHz/ppm、2.07 GHz/ppm。结果表明该器件可实现对微量农药的传感检测,为今后食品质量安全控制提供了新的思路。     

一种基于耦合共振的太赫兹双频超材料吸收器设计

以两个相耦合的非对称十字金属条带结构作为基元,设计了一种新型双频带太赫兹超材料吸收器。该吸收器由周期性排列的基元、金属接地板以及介质层组成。通过基元之间的耦合,可利用单一基元实现太赫兹波段的双频带吸收特性。仿真结果表明,设计的超材料吸收器在具有基频共振所形成的吸收峰外,还具有耦合共振所形成的耦合吸收峰。通过调节耦合强度、介质层厚度和金属条带的对称性,可以在保持磁共振模式的耦合共振峰频率基本稳定的同时,对基频共振峰频率进行调控,以满足不同的吸收要求。此外,该超材料吸收器也展现出对气体折射率变化的敏感性,灵敏度可达2.5 THz/RIU,使这种吸收器在气体传感方面具有巨大的潜力。     

基于二氧化钒的太赫兹超材料动态可调宽带吸收器

在硅平面上设计了一种基于二氧化钒(VO2)超材料的可调谐太赫兹(THz)宽带吸收器,该吸收器由VO2谐振层和被SiO2介质隔开的金属反射层组成.数值仿真结果表明,具有高电导率(30000 S/m)的VO2表现为金属相,其吸收率大于90％时吸收带宽达到了 2 THz,并且分别在4.5 THz和5.8 THz处实现了吸收率...     

双频段太赫兹超材料吸波体的设计及传感特性研究

提出了一种基于不同半径金属圆环加载于介质层的新型太赫兹超材料吸波体,实现了双频段的完美吸收和偏振不敏感性,且具备宽角度入射时可达到良好吸收的性能。仿真结果表明,该吸波体在f1 = 2.335 THz 和f2 = 4.215 THz 均可实现完美吸收,吸收率高达99. 99%;当入射角度达到70°时吸收率仍能保持80%以上。进一步分析可知,两个吸收峰分别由半径不同的金属圆环谐振产生,故而吸收峰的谐振频率可以通过调节圆环的半径进行单独调制。此外,还研究了该吸波体在介电传感和厚度传感两方面的应用。结果表明该吸波体对介电常数小于10的物质具有较好的传感性能,且吸收峰f2 的灵敏度较高;而应用于厚度传感时,吸收峰f1 的稳定性更适宜。研究结论对于设计新型超材料吸波体及其在传感中的应用具有重要意义。     

基于多层结构的偏振不敏感超材料太赫兹宽带吸收器

为了解决宽带吸收器结构设计复杂的问题,提出了 一种结构简单、偏振不敏感、吸收性能优良的超材料太赫兹宽带吸收器.该吸收器采用对称结构设计,以金属层-介质层-金属层的三层架构为基础.其中,介质层中嵌入了两个不同尺寸的圆形金属片,从而形成多层结构.采用频域有限元法(Frequency Domain Finite Elemen...     

基于超材料的太赫兹1/4波片设计及特性分析

提出了一种基于超材料的透射式太赫兹1/4波片,将传统的开环谐振型结构改进为“叉指”型结构,实现了线极化波向圆极化波的有效转换。测试表明,在0.818~0.973THz内,透射波的轴比小于3dB,椭圆度χ＞0.81,器件将线极化波转换为圆极化波的效率为50%~75%。与现有的太赫兹1/4波片相比,该器件极化转换效率高、结构简单,仅由一层介质层和两层金属层组成。所提出的太赫兹1/4波片在太赫兹无线通信、太赫兹成像等领域具有重要的应用前景。     

太赫兹超材料极化转换器设计及其特性分析

提出了一种反射型太赫兹超材料极化转换器.该极化转换器结构单元由典型的三层结构组成,上、下两层为金属层,中间为介质层,顶层金属层由一个开口谐振环和一个镂空圆盘组成.研究结果表明:该极化转换器能够将x极化波转换为y极化波,在0.584 0～1.352 0 THz频带上极化转换率大于80％,在0.642 4、0.936 4和1.301 8 THz处极化转换率接近100％.该极化转换器结构简单、便于加工,且能实现宽频带极化转换,在太赫兹波通信、成像等方面有广阔的应用前景.     

异向介质体内太赫兹波增强效应及谐振特性研究

基于开口谐振环(SRR)的电磁响应特性以及严格电磁场理论,研究了由开口谐振环结构构成的异向介质体内的太赫兹波增强效应及谐振行为。仿真模拟了谐振环结构体内电场、电场能量密度和能流量的空间分布,讨论了电场能量密度随入射太赫兹波频率的变化规律。此外,还分析了谐振环结构参数对异向介质的谐振特性及其太赫兹波增强效应的影响。研究结果表明,在开口谐振环结构的开口缝隙处存在显著的太赫兹波增强效应,不仅电场显著增强,而且还会出现电场能量密度极值,并且,谐振时的电场增强效应比非谐振时明显增大。此外,谐振频率和电场能量密度均会随着谐振环结构参数的变化而呈现明显变化。     

基于液晶的太赫兹可调谐超材料吸波体

文中设计了一种液晶太赫兹电控超材料吸波体,通过外部电场改变液晶层的等效介电常数,实现对于太赫兹反射波的调控。对器件的传输性能进行计算,分析了谐振频点处的表面电流分布和能量损耗密度情况。采用紫外光刻以及湿法刻蚀技术,制作了30×30单元超材料吸波体阵列并对其进行测试验证。结果表明,当偏置电压在0~30 V之间变化时,吸波体的谐振频点可实现101.5~117.95 GHz范围内的动态调控,综合可调率达到13.9%,整个工作频段内,吸收率始终维持在90%以上。     

Metamaterial Absorbers in Terahertz Band

In recent years, a great deal of effort has been made to a create terahertz （THz） wave absorber based on metamaterials （MM）. Metamaterials absorbers have a variety of potential applications including thermal emitters, detector, stealth technology, phase imaging, etc. In this paper, we firstly introduce the basic structure and work principle of the THz MM absorbers, and a transmission line model is developed for devices analysis. To expand the application of THz absorbers, dual-band and broadband THz MM absorbers are designed, fabricated, and measured. At the end of this article, the future development trends of MM absorbers are discussed.     

Broadband Terahertz Transmission Modulation Based on Hybrid Graphene-Metal Metamaterial

A novel patterned metamaterial, composed of graphene layer and metal periodic array of split ring resonators (SRRs) and cross-shaped resonators (CSRs), with broadband terahertz (THz) wave modulation was proposed and theoretically studied. It demonstrated that a broad passband high transmission of over 96.1% in the frequency range from 1.02 THz to 1.66 THz and two narrow band resonance frequencies f₁ and f₂ could be generated. The modulation depth of transmission was 29.2% when the graphene layer was covered on the metal metamaterial surface, and the modulation depth could be further increased by increasing the Fermi energy of graphene layer and reached approximately 79.5% at 1.0 eV in a broadband THz frequency range. The resonance frequencies of f₁ and f₂ were blue-shifted, and their modulation depths reached about 63.2% and 18%, respectively. These results show that the ultrathin graphene-metal metamaterial exhibits potential to achieve high-performance active THz devices and may offer widespread applications.