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。     

基于石墨烯超材料的宽频带可调太赫兹吸波体

基于二维材料石墨烯,设计了一款宽频带可调谐超材料太赫兹吸波体。该吸波体由三层结构组成,顶层为石墨烯超材料,中间层为二氧化硅,底层为金属薄膜。仿真结果表明,当石墨烯的费米能级为0.7 eV时,该吸波体在1.11~2.61 THz频率范围内吸收率超过90%,相对吸收带宽为80.6%。当石墨烯的费米能级从0 eV增大到0.7 eV时,该吸波体器件的峰值吸收率可以从20.32%增大到98.56%。此外,该吸波体器件还具有极化不敏感和广角吸收的特性。因此,它在太赫兹波段的热成像、热探测、隐身技术等领域具有潜在的应用价值。     

利用高阶表面等离子体共振实现窄带完美吸收

超材料完美吸波体是一种典型的电磁功能材料,在包括高效太阳能利用等领域有巨大的应用前景。迄今的工作主要集中在工作波长的可调谐性以及双波段、三波段甚至宽带吸收方面。激光防护等特殊应用要求超材料完美吸波体在指定波长附近拥有窄带吸收性能,然而这方面的研究当前还比较少。基于铝反射镜-SiO₂介质层-铝圆盘的三层结构,设计并数值模拟研究了一种工作在1 064 nm的窄带超材料完美吸波体。通过对比发现,相比于利用小尺寸结构单元的表面等离子体振荡基模,利用大尺寸结构单元的表面等离子体振荡高阶模式,可以在指定波长处得到线宽更窄的完美吸收效果。进一步,通过对介质层厚度、圆盘直径和晶格周期等主要结构参数进行系统研究,揭示了各个结构参量对于超材料完美吸波体光学响应的影响规律。在此基础上,通过对结构参数的优化,最终得到了透过率为0、反射率低至8.56×10?5、模式线宽约为55 nm的高性能、窄带超材料完美吸波体设计。由于该工作中涉及的所有材料均CMOS兼容,同时结构单元的特征尺寸也处于光刻技术易于加工的区间,因此拥有良好的大规模实际应用前景。     

中红外-甚长波多模式谐振三波段超材料吸波体（特邀）

超材料吸波体可以将入射电磁波集中在亚波长尺度内并进行高效吸收,因此在光电探测、热发射器、能量收集等领域具有广泛的应用前景。迄今报道的多波段超材料吸波体主要为某一波长范围内多个相近波长的完美吸收,想要实现大光谱范围内的多波长吸收则需要多个结构的联合工作。基于钛十字形谐振器-氮化硅介质层-钛反射层三层结构,设计并数值模拟了一种工作波长范围跨越中波红外、长波红外以及甚长波红外的三波段超材料吸波体。利用超材料吸波体激发的传播型表面等离激元谐振、局域型表面等离激元谐振以及氮化硅本征吸收模式,实现了4.8 μm、9.1 μm和18 μm三个波长处97.3%、94.4%和93.6%的高吸收率。超材料吸波体的工作波长可以通过改变其几何参数进行调节,且具有偏振和入射角不敏感性。该工作中所用材料均为现有工艺中的常用材料,在气体检测、红外成像等领域具有应用前景。     

太赫兹宽频带准全向平板超材料吸波体的设计

在太赫兹波段设计了一种宽频带准全向的平板超材料吸波体.仿真结果表明,该吸波体在4.36～4.91THz之间具有极化不敏感和宽入射角的强吸收.提取的等效阻抗实部表明,可以通过调节超材料的电磁响应造成吸波体一侧与自由空间近似阻抗匹配、另一侧与自由空间阻抗不匹配,从而在吸收频带内同时实现反射率和传输率最小、吸收率最大.仿真的...     

吸收率和吸收频率大小电热可调的超材料吸波体

提出了由“田”字型狄拉克半金属（BDS）谐振器和钛酸锶（STO）组成的双调谐“完美”超材料吸波体并进行数值仿真。结果表明：当BDS费米能量为40 meV、STO温度为400 K时,吸波体在2.613 1 THz处吸收率达到了99%。同时,当BDS费米能量和STO温度改变时,可实现吸波体吸收频率和吸收率大小的动态双调谐。此外,分别利用了耦合模理论（CMT）和等效电路模型（ECM）从理论上分析了吸波体的性能。最后,进一步讨论了模型各参数改变时,吸波体吸收光谱的变化规律。这为双调谐滤波器、吸波体的设计提供了理论依据。     

一种基于二氧化钒材料的可调谐吸波器设计

为了在THz波段获得TE波下的可调谐吸收频谱, 采用全波仿真的方法, 设计了一款基于二氧化钒材料的可调谐THz吸波器, 对该吸波器的吸收频谱、电场图、表面电流图以及能量损耗图进行分析, 并讨论了结构参量h₄, k以及入射角度θ对吸收频域和吸收带宽的影响。结果表明, 通过外部温控的方式改变二氧化钒谐振单元的物理特性可以获得可调谐的吸收频谱并改善吸波器的吸收性能, 该吸波器在温度T≥68℃时, 可以实现在2.70THz~3.36THz频段的宽带吸收(吸收率在90%以上), 相对带宽达到21.8%;在T＜68℃时, 可以实现多个单频点的吸收; 改变结构参量h₄, k可以改变吸收频点的位置以及吸收带宽, 改变入射角度θ可以影响吸波器的吸收效果。该研究对可调谐太赫兹器件的进一步探究是有帮助的。     

基于二氧化钒-狄拉克半金属混合超材料的单/双波段可切换太赫兹吸波器

提出了一种基于二氧化钒-狄拉克半金属混合超材料的单/双波段可切换太赫兹吸波器设计。利用二氧化钒的可逆相变特性来实现单/双波段功能之间的切换,当二氧化钒处于绝缘态时,通过改变狄拉克半金属的费米能级能量,可实现吸收峰值大小和位置的调控。数值仿真表明：当二氧化钒处于绝缘态且狄拉克半金属的费米能级能量设定为160 meV时,吸波器可以在0.97 THz和3.152 THz处出现两个吸收峰,吸收率分别为99.3%和99.7%,均超过了99%,说明在这两个谐振频率点处实现了几乎完美的吸收。而当二氧化钒变为金属态且狄拉克半金属的费米能级能量为160 meV时,吸波器在4.246 THz处出现一个吸收峰,吸收峰值超过98%。实际上,由于狄拉克半金属的存在,吸收率会受到费米能级能量的影响,仿真结果发现：当VO₂处于绝缘态时,狄拉克半金属费米能级能量对吸收峰值和谐振频率点有较大的影响;然而,当VO₂处于金属态时,狄拉克半金属的费米能级能量几乎不会改变吸收峰值和谐振频率。为了验证吸波器的吸波机理,引入阻抗匹配理论对吸波器进行分析。所提出的可切换超材料吸波器可以广泛...     

基于改进粒子群优化算法的宽角度高吸收率超材料吸波体设计

超材料吸波体的性能受电磁波入射角度的影响,具有宽角度稳定性的吸波体一直是吸波体设计的难点之一。传统设计方式依赖于人工设计和优化,存在设计困难且周期长的缺陷。针对设计目标的特点,基于改进粒子群优化算法设计了宽角度高吸收率超材料吸波体。通过添加动态权值和高斯误差解决二进制粒子群优化算法后期局部搜索能力弱的问题,用改进的二进制粒子群优化算法优化吸波体表层0、1编码的离散金属块结构实现高吸收率和宽入射角吸收特性。仿真结果表明,设计的超材料吸波体在9.4～13.3 GHz频段的吸收率大于90%,在11.6～12.6 GHz频段内可实现完美吸收（吸收率大于99%）,横电、横磁极化波60°斜入射情况下超材料吸波体在带宽内的吸收率大于80%。该设计方法有效弥补了传统设计方法的缺陷,展现出按需设计和设计过程无需人为干预的独特优势,在相关领域具有广泛的应用前景。     

基于超材料的多频带可调谐太赫兹吸收器

设计了一种多频带可调谐的太赫兹超材料吸收器。在超材料吸收器的结构中,引入光敏半导体硅材料,设计特殊的顶层金属谐振器,分析开口长度、线宽、介质层厚度等参数尺寸对太赫兹超材料吸收器的吸收光谱特性影响。根据光照与光敏半导体硅电导率之间的关系,研究太赫兹超材料吸收器的频率调谐特性。仿真结果得到太赫兹波段的12个吸收频率调制,其中有10处吸收峰的吸收率超过90%近完美吸收,且有6处吸收率达到99%的完美吸收,而且吸收率调制深度和相对带宽分别达到85.9 %和85.5%,具有很强的可调谐特性。设计的光激励太赫兹超材料吸收器结构简单,具有多频带可调谐和完美吸收特性,扩大了吸收器的应用范围。     

A thermally tunable terahertz metamaterial absorber

A thermally tunable terahertz metamaterial absorber (MA) with InSb embedded in a metal-dielectric-metal structure is proposed. The transmission and tuning properties of the proposed metamaterial absorber are analyzed for the temperature ranging from 160 K to 350 K. The simulated results show that the maximum absorption of the absorber is nearly 99.8% at a full-width at half-maximum (FWHM) of 38 GHz, and the absorption frequency can be dynamically tuned from 0.82 THz to 1.02 THz.     

基于石墨烯的可调谐高吸收率太赫兹超材料

提出一种基于石墨烯的双波段太赫兹超材料吸收体,它由金属-电介质-石墨烯3层超材料结构单元在水平方向上进行周期性拓展而成。仿真结果显示,其在太赫兹波段6.62 THz和 9.36 THz分别产生99.9%和98.9%的高吸收率;通过改变石墨烯的费米能级,可以灵活地控制吸收体的谐振频率和吸收强度,而吸收体的吸收强度也可以利用石墨烯的弛豫时间进行单独控制。另外,研究了吸收体中间介质层厚度和介质损耗对吸收率的影响,这为吸收体初始加工工艺参数的确定提供了依据。研究结果表明,提出的基于石墨烯的太赫兹超材料吸收体结构简单,易于加工,可通过偏置电压或者化学掺杂,简单地实现吸收体的可调谐性,为双波段高吸收率太赫兹超材料吸收体的设计提供了重要参考。     

Polarization-independent Metamaterial Absorber for Terahertz Frequency

We present the design, fabrication, as well as the characterization of the large incident angle and polarization independent terahertz (THz) metamaterial absorber. The designed absorber consists of metallic cross structure and a metallic ground plane separated with a dielectric as a spacer, this structure shows a strong resonance at terahertz frequency. The influences of the structural parameters (including period, cross width and spacer thickness) on the absorption are discussed. An optimized structure is fabricated and characterized, and a good agreement between simulation and experimental result is obtained. The metamaterial absorbers are potential candidates as absorbing elements for terahertz imaging and other fields of terahertz technology.     

基于石墨烯超材料的三频段可调谐完美吸收器

为进一步降低太赫兹频率下高性能调控器件的结构复杂度,提出一种三频段可调谐超材料完美吸收器.该吸收器由图案化的石墨烯层和经Si介质层隔开的Au接地平面组成,利用太赫兹下的石墨烯表面等离子体共振以及图案化石墨烯与电场耦合提供的电偶板子共振形成多个吸收峰.数值仿真结果表明,在0.489 THz、1.492 THz和2.437...     

THz波段Metamaterial吸波材料研究现状

Metamaterial是一种新型的人工电磁材料,用Metamaterial制作的吸波材料具有体积小,重量轻,吸收效率高等特点。Metamaterial吸收材料的响应频率取决于其几何结构,可以通过缩比改变其工作频率。本文首先介绍了Metamaterial吸波材料的工作原理,并基于此原理介绍了Metamaterial吸波材料的设计方法,最后对国内外现有的THz波段的Metamaterial吸收材料的研究进行了总结。     

宽频太赫兹异向介质吸收器研究

利用异向介质吸收器的传输线模型及CST仿真软件对其太赫兹波段的宽频吸收特性进行了研究。结果表明：异向介质吸收器对太赫兹电磁波的吸收主要来源于开口环共振单元(SRR)的LC共振。提出了两种使异向介质吸收器获得宽频太赫兹吸收的方法：一是增加LC共振中的等效电阻R,能有效扩展吸收带宽到100GHz以上;二是通过优化具有双吸收...     

基于分形的吸波材料及其在微带天线中的应用

在方形贴片完美吸波材料的基础上,通过Minkowski分形和开槽,设计了一种新型完美吸波材料,并分析了其吸波原理.将该材料加载于微带天线,用于减缩天线带内雷达散射截面(RCS).仿真结果表明,相比于方形贴片吸波材料,设计材料的谐振频率下降了8.6％,最大吸波率达99.97％.加载该材料后,天线的辐射性能没有降低,而其带内RCS得到有效减缩.实测结果与仿真结果较为吻合,表明了该材料可以用于微带天线的带内隐身.     

糖果型电阻膜宽带超材料吸波器的设计

提出了一种糖果型电阻膜宽带超材料吸波器。该吸波器的单元结构采用电阻膜-介质-电阻膜结构,其中顶层电阻膜为糖果型, 介质层由多种材料叠加而成, 介质层材料从顶至底依次为PET、FR-4、PMMA 和PET。CST 软件仿真结果表明本吸波器吸收率的峰值可达100%,吸收率超过99% 的频带宽度约为2.5 GHz, 超过90% 的频段能够完全覆盖X 波段, 部分覆盖Ku 波段,相对带宽为70%。随着电磁波入射角度的变化, 吸收峰所对应的中心频率稳定, 能够实现对相应频段的完美吸波,并且具有宽带吸波特性。     

基于石墨烯的太赫兹透明吸波器设计

透明太赫兹吸波器既可在太赫兹波段实现吸波功能,又对可见光透明,隐蔽性高,因此其在电磁隐形等领域具有广泛应用。文中设计了一种基于石墨烯的太赫兹双频吸波器,它由方形加枝节的石墨烯上层宽带吸波结构和石墨烯-ITO 嵌套形下层窄带吸收结构构成,实现了独立可调的双频吸波功能。经仿真调试,该吸波器能够通过改变石墨烯费米能,分别在1.98~3.64 THz 范围内调节实现90%以上宽频带吸收率和在4.6~4.9 THz 范围内调节实现96%以上吸收率。经验证,该吸波器具有极化不敏感、宽入射范围等优点。