王志豪

(湖北第二師范學(xué)院，湖北 荊州 430205)

1 緒論

1.1 太赫茲波段超材料吸收器簡(jiǎn)介

20世紀(jì)80年代中期以前，因?yàn)槿鄙儆行У妮椛湓春透咝阅艿姆派渚€(xiàn)檢測(cè)設(shè)備，沒(méi)有能夠得到足夠的研究和應(yīng)用，所以被稱(chēng)為“太赫茲間隙”。20世紀(jì)80年代以來(lái)，由于非常多新材料、新技術(shù)迅速的發(fā)展，尤其是超快激光的發(fā)展，讓獲得穩(wěn)定的THz輻射源成了半常規(guī)技術(shù)，太赫茲波段的研究開(kāi)始飛速發(fā)展。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，出現(xiàn)了一系列的太赫茲響應(yīng)器件，為之后太赫茲波段超材料的研究奠基了基礎(chǔ)。然而現(xiàn)在太赫茲波段輻射源的功率大部分都較低，為了獲得靈敏、高效的太赫茲波探測(cè)器，研究和探索太赫茲波探測(cè)技術(shù)的重點(diǎn)放在了如何研究和發(fā)展太赫茲波段高吸收率探測(cè)器的結(jié)構(gòu)。

1.2 太赫茲超材料吸收器國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

天然材質(zhì)的屬性如磁導(dǎo)率和介電常數(shù)都是正數(shù)。Veselago在1968年經(jīng)過(guò)數(shù)理分析之后，提出了磁導(dǎo)率和介電常數(shù)均為負(fù)的材料，他猜想，材料可以分為左手材料(ε、μ均為負(fù))、右手材料(ε、μ均為正)、負(fù)磁導(dǎo)率(ε為正、μ為負(fù))還有負(fù)介電常數(shù)(ε為負(fù)、μ為正)。天然材質(zhì)大部分都是右手材料。1999年P(guān)erdry等人設(shè)計(jì)出一種亞波長(zhǎng)開(kāi)口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)[1]，該結(jié)構(gòu)在微波波段實(shí)現(xiàn)了負(fù)磁導(dǎo)率。2007年A.Degiron，通過(guò)在一個(gè)分裂環(huán)諧振腔的間隙中摻雜一塊低摻雜的半導(dǎo)體來(lái)動(dòng)態(tài)地改變它的磁共振。H. Tao等人在2008年提出了一種超材料吸收器[2]，在太赫茲頻率下有強(qiáng)共振吸收。

2 超材料吸收器的設(shè)計(jì)

2.1 超材料吸收器吸收原理

由疏松的材料構(gòu)成的低密度型吸收器。由損耗泡沫形成的錐形或金字塔型的周期性二維陣列構(gòu)成的幾何過(guò)渡型吸收器。這兩類(lèi)吸收器都可以實(shí)現(xiàn)寬帶吸收。由電阻片和介質(zhì)層交替堆疊的多層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的諧振型吸收器。這三種吸收器在太赫茲頻段都無(wú)法使用。

2.2 本文采用的超材料吸收器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真

3 仿真模擬結(jié)果與討論

在模擬中，假定沒(méi)有光照的硅的電導(dǎo)率σSi為1 S/m。當(dāng)光輻射入射到硅上時(shí)，光的能量超過(guò)半導(dǎo)體的帶隙能量，就會(huì)產(chǎn)生過(guò)剩的載流子密度，硅的電導(dǎo)率從1 S/m可以改變到2 000 S/m。通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，能夠算出透射系數(shù)t與反射系數(shù)r(但是因?yàn)槲掌鞯牡讓邮褂玫氖且粔K連續(xù)金屬導(dǎo)體平面，電磁波無(wú)法穿過(guò)超材料，所以t=0)，由A=1-r2計(jì)算得到吸收率R。

隨著硅導(dǎo)電率的增大，第一共振吸收峰附近強(qiáng)度減弱，同時(shí)，第二共振吸收峰附近逐漸增強(qiáng)，如圖2所示。對(duì)于σSi增大到2 000 S/m的過(guò)程，共振頻率不斷向高頻移動(dòng)，最大吸收峰由0.83 THz移動(dòng)到1.8 THz，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)相當(dāng)寬的藍(lán)移，高達(dá)54%。還有另一種通過(guò)改變介質(zhì)層的厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)可切換的毫米波吸收器的方法，改變介質(zhì)的特性可以很容易地?cái)U(kuò)大磁偶。

4 論文總結(jié)和未來(lái)展望

4.1 論文總結(jié)

要想提高能在太赫茲波段響應(yīng)的探測(cè)器的靈敏度，一般要在探測(cè)器外面套上一個(gè)吸收器，探測(cè)器的靈敏度取決于套在外面的吸收器的吸收率，探測(cè)器的探測(cè)帶寬則取決于外面吸收器的吸收帶寬。本文利用仿真軟件Comsol Multiphysicis模擬仿真了一種基于開(kāi)口諧振環(huán)的典型的三層結(jié)構(gòu)太赫茲超材料寬帶吸收器。

4.2 未來(lái)展望

本文模擬的太赫茲超材料寬帶吸收器也有著很好的應(yīng)用前景，通過(guò)模擬仿真加深對(duì)該類(lèi)吸收器的了解，為探究太赫茲領(lǐng)域打好基礎(chǔ)。