基于液晶的太赫茲可調(diào)諧超材料吸波體

史 添，徐俊杰，孫雙元，殷明君，楊 軍，尹治平

(合肥工業(yè)大學(xué) 光電技術(shù)研究院，安徽 合肥 230009)

太赫茲波是指頻率范圍在0.1～10 THz，介于紅外和微波之間的電磁波。近年來(lái)，太赫茲技術(shù)因其在下一代無(wú)線(xiàn)通信[1]、無(wú)損安檢[2]、生物醫(yī)藥[3]、食品與農(nóng)產(chǎn)品安全檢測(cè)[4]、全球環(huán)境監(jiān)測(cè)[5]等領(lǐng)域的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景吸引了眾多研究人員的關(guān)注。然而，由于自然界中缺乏對(duì)于太赫茲波產(chǎn)生有效響應(yīng)的材料，太赫茲波在空氣和傳統(tǒng)材料中傳輸時(shí)存在嚴(yán)重的衰減，嚴(yán)重限制了太赫茲技術(shù)的發(fā)展。

超材料是一種人為構(gòu)造的新型結(jié)構(gòu)材料，具有超越傳統(tǒng)自然材料的奇異物理特性，例如負(fù)折射率、負(fù)磁導(dǎo)率、負(fù)介電常數(shù)、反多普勒效應(yīng)等[6-7]。其基本思想是利用亞波長(zhǎng)微結(jié)構(gòu)單元與入射電磁波的耦合效應(yīng)，完成對(duì)材料等效參數(shù)的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波傳播的操控。作為一種人工材料，超材料加工簡(jiǎn)單，性能優(yōu)越，在檢測(cè)、傳感以及成像等方面有著重要的應(yīng)用[8-10]。作為超材料發(fā)展研究的一個(gè)重要方向，超材料吸波體這一概念最早于2008年被提出[11]。與傳統(tǒng)的吸波體相比，超材料吸波體具有體積小、成本低、厚度薄、易加工、效率高等眾多優(yōu)勢(shì)，在工程以及科學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛研究和應(yīng)用。

現(xiàn)有大多超材料吸波體在加工完成后，諧振頻率便已經(jīng)固定，在后期運(yùn)用的過(guò)程中較難改變。然而在很多實(shí)際運(yùn)用中，單頻點(diǎn)吸波體己經(jīng)不再能滿(mǎn)足日益復(fù)雜電磁環(huán)境的需求。為了實(shí)現(xiàn)諧振頻率的動(dòng)態(tài)可調(diào)，研究人員提出了多種方法。文獻(xiàn)[12]提出了一種基于靜電驅(qū)動(dòng)的MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)懸臂式可調(diào)超材料吸波體，實(shí)現(xiàn)了吸收頻點(diǎn)在1.28～1.32 THz范圍內(nèi)的連續(xù)調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)[13]通過(guò)在超材料吸波體中加載電阻器和介電常數(shù)電可調(diào)的電流變液，實(shí)現(xiàn)了寬帶吸收和吸收頻帶的可調(diào)。文獻(xiàn)[14]設(shè)計(jì)了一種單層H形的全硅超材料吸波體，其吸收帶寬達(dá)到了913 GHz，并且通過(guò)調(diào)節(jié)泵浦光束的強(qiáng)度可實(shí)現(xiàn)最大420 GHz的調(diào)諧范圍[14]。

作為一種在太赫茲波段內(nèi)具有雙折射效應(yīng)的各向異性材料，液晶制作成本較低，加工工藝成熟，介電常數(shù)可調(diào)性?xún)?yōu)良，調(diào)諧范圍較寬，被認(rèn)為是可調(diào)太赫茲功能器件的理想材料之一[15]。文獻(xiàn)[16]通過(guò)利用等離子體誘導(dǎo)透明效應(yīng)，設(shè)計(jì)了一種基于液晶超材料的電調(diào)諧太赫茲調(diào)制器，其調(diào)制深度超過(guò)90%，插入損耗低于0.5 dB。文獻(xiàn)[17]提出了一種基于液晶的可調(diào)太赫茲吸波體，并通過(guò)改變貼片諧振器與金屬基板間液晶層的相對(duì)介電常數(shù)的大小，使得吸收頻點(diǎn)的綜合可調(diào)率達(dá)到了15%以上。

本文設(shè)計(jì)了一種基于液晶及超材料的電控可調(diào)諧太赫茲吸波體，并通過(guò)仿真分析了所設(shè)計(jì)吸波體單元的反射波特性。同時(shí)，本文采用紫外光刻和濕法刻蝕技術(shù)對(duì)設(shè)計(jì)的模型進(jìn)行了加工測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，通過(guò)改變金屬貼片和金屬反射層間偏置電壓的大小，可實(shí)現(xiàn)吸波體諧振頻點(diǎn)在101.5～117.95 GHz范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)調(diào)控，綜合可調(diào)率達(dá)到13.9%，且在整個(gè)調(diào)控過(guò)程中，吸波體的吸收率均保持在90%以上。本文所設(shè)計(jì)的吸波體具有單元結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、吸收頻段可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，在太赫茲波調(diào)控、探測(cè)等領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作機(jī)理

本文所設(shè)計(jì)的超材料吸波體的基本單元結(jié)構(gòu)如圖1所示，每個(gè)基本單元主要由上、下兩層石英基板以及兩層基板間隙中注入的液晶層構(gòu)成。在上層石英基板的下表面和下層石英基板的上表面分別設(shè)有方形金屬貼片層和金屬反射層。若干上述基本單元在二維平面上周期性排布，則構(gòu)成了整個(gè)超材料吸波體。表1是最終優(yōu)化設(shè)計(jì)得到的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖1 吸波體單元結(jié)構(gòu)(a)立體圖 (b)俯視圖 (c)正視圖 (d)側(cè)視圖Figure 1. Structure of a unit cell of the tunable metamaterial absorber(a)Perspective view (b)Top view (c)Front view (d)Side view

表1 吸波體單元結(jié)構(gòu)參數(shù)

向列型液晶是一種各向異性的材料，其相對(duì)介電常數(shù)會(huì)隨液晶分子長(zhǎng)軸的取向變化而變化。通過(guò)在金屬貼片層和金屬反射層之間施加偏置電壓，可實(shí)現(xiàn)對(duì)于液晶分子取向的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)于液晶相對(duì)介電常數(shù)的調(diào)控。為了控制未施加偏置電壓時(shí)液晶分子的取向，在金屬貼片層和金屬反射層上各添加了一層厚度為T(mén)i的聚酰亞胺取向?qū)印?/p>

如圖1(c)和圖1(d) 所示，當(dāng)金屬貼片層和金屬反射層之間未施加偏置電壓時(shí)，液晶分子的長(zhǎng)軸將平行于取向?qū)颖砻婺Σ廉a(chǎn)生的溝道，定義此時(shí)液晶的相對(duì)介電常數(shù)為ε⊥。當(dāng)金屬貼片層和金屬反射層之間施加偏置電壓并逐步增大至飽和電壓時(shí)，液晶分子將逐漸克服取向?qū)拥挠绊?，并最終平行于電場(chǎng)方向，定義此時(shí)液晶的相對(duì)介電常數(shù)為ε∥。

結(jié)合等效電路理論分析可知，超材料吸波體的諧振頻率和中間介質(zhì)層的相對(duì)介電常數(shù)相關(guān)[18-19]，因此通過(guò)改變施加在金屬貼片層和金屬反射層間的偏置電壓，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于吸波體諧振頻率的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。

2 數(shù)值仿真與分析

為從理論上驗(yàn)證相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本文采用頻域有限元法，分別在液晶處于零偏和飽和兩種情況下，對(duì)所設(shè)計(jì)的吸波體進(jìn)行了數(shù)值模擬仿真。其中x-y方向設(shè)置為周期性邊界條件，激勵(lì)端口設(shè)為平面電磁波，垂直照射于吸波體表面。方形金屬貼片層和金屬反射層的材質(zhì)均設(shè)置為金屬銅，其電導(dǎo)率為5.8×107S·m-1，上下層石英基板的相對(duì)介電常數(shù)和損耗正切分別為 3.78和0.02，液晶的損耗正切設(shè)置為0.02，其零偏和飽和時(shí)所對(duì)應(yīng)的相對(duì)介電常數(shù)ε⊥和ε∥經(jīng)實(shí)測(cè)分別為2.49和3.63。同時(shí)，考慮到所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，本文只對(duì)電場(chǎng)方向平行于y軸的極化入射的電磁響應(yīng)進(jìn)行仿真分析。

所設(shè)計(jì)吸波體的吸收率可通過(guò)如下計(jì)算式進(jìn)行計(jì)算

A(ω)=1-|S11|2-|S21|2

(1)

式中，A(ω)、S11和S21分別是吸收率、反射系數(shù)和透射系數(shù)。由于吸波體下層的金屬反射層厚度遠(yuǎn)大于集膚深度，因此透射系數(shù)S21約等于0，故式(1)可簡(jiǎn)寫(xiě)為

A(ω)=1-|S11|2

(2)

最終仿真分析得到的吸波體的吸收曲線(xiàn)如圖2所示，當(dāng)金屬貼片層和金屬反射層之間未施加偏置電壓時(shí)，吸收峰位于117.95 GHz處，相應(yīng)的吸收率為99.61%。當(dāng)偏置電壓逐漸升高至飽和電壓時(shí)，諧振頻點(diǎn)隨之逐漸偏移至101.5 GHz處，對(duì)應(yīng)的吸收率為99.71%。

圖2 超材料吸波體零偏和飽和時(shí)的仿真吸收譜Figure 2. Simulated absorption spectra of the metamaterial absorber with no bias voltage and fully bias voltage

為了進(jìn)一步分析所設(shè)計(jì)超材料吸波體的內(nèi)部機(jī)理，本文仿真分析了施加飽和偏置電壓時(shí)，吸波體單元結(jié)構(gòu)在諧振頻點(diǎn)101.5 GHz處的表面電流分布和能量損耗密度情況。

圖3(a)和圖3(b)分別為金屬貼片層和金屬反射層的表面電流分布情況。由圖可知，金屬貼片層的表面電流主要集中于4條連接線(xiàn)與方形貼片相交處附近，且沿電場(chǎng)矢量方向激發(fā)出一個(gè)電響應(yīng)，同時(shí)其與底部金屬反射層的反向表面電流相互作用形成環(huán)流，最終激發(fā)出一個(gè)磁響應(yīng)。

(a) (b)圖3 金屬貼片層和金屬反射層的表面電流分布(a)金屬貼片層 (b)金屬反射層Figure 3. Distributions of the surface current on metal patch layer and metal reflective layer(a)Metal patch layer (b)Metal reflective layer

圖4(a)和圖4(b)分別為液晶層和石英基板的能量損耗密度情況。結(jié)合圖分析可知，液晶層的能量損耗主要集中于金屬貼片所覆蓋的區(qū)域，而石英基板的能量損耗則集中在貼片覆蓋區(qū)域的邊沿，整個(gè)吸波體絕大部分能量損耗都集中在液晶層。

(a) (b)圖4 液晶層和石英基板的能量損耗密度分布(a)液晶層 (b)石英基板Figure 4. Distributions of the dielectric power loss density of liquid crystal layer and quartz plane(a)Liquid crystal layer (b)Quartz plane

不同入射傾角下，吸波體的性能的穩(wěn)定性對(duì)于其實(shí)際應(yīng)用具有十分重要的意義。為了探究入射傾角對(duì)所設(shè)計(jì)吸波體性能的影響，定義入射電磁波方向矢量k與z軸的夾角為入射傾角θ。在電場(chǎng)方向平行于y軸的情況下，分別沿x和y兩個(gè)方向改變?nèi)肷鋬A角θ的大小，模擬計(jì)算所設(shè)計(jì)超材料吸波體的吸收情況。

如圖5和圖6所示，在入射傾角θ沿x方向從0°逐漸增大到26°的過(guò)程中，吸波體的諧振頻點(diǎn)幾乎沒(méi)有發(fā)生改變，而吸收率從99.61%逐漸降至97.88%。當(dāng)入射傾角繼續(xù)增大至78°時(shí)，吸波體的諧振頻點(diǎn)發(fā)生紅移，吸收率從97.88%降至47.15%，同時(shí)在140 GHz處出現(xiàn)另一吸收峰。隨著傾角的繼續(xù)增大，該峰逐漸朝低頻偏移。當(dāng)入射傾角沿y方向改變時(shí)，隨著傾角的增大，吸收峰逐漸朝低頻移動(dòng)，當(dāng)傾角大于65°時(shí)，吸收率出現(xiàn)明顯減小。

圖5 不同入射傾角時(shí)的吸收曲線(xiàn)(θ沿x方向改變)Figure 5. Absorption curves at different incident angles(θ changes along x direction)

圖6 不同入射傾角時(shí)的吸收曲線(xiàn)(θ沿y方向改變)Figure 6. Absorption curves at different incident angles(θ changes along y direction)

綜上，當(dāng)入射傾角沿x方向變化且不超過(guò)26°時(shí)，吸波體的吸波性能變化較小，保持了較高的穩(wěn)定性。而當(dāng)入射傾角沿y方向變化時(shí)，吸波體的諧振頻點(diǎn)將發(fā)生改變，但吸收率始終維持在較高水平。

3 樣品加工與測(cè)試

為了進(jìn)一步驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的超材料吸波體的性能，通過(guò)紫外光刻和濕法刻蝕技術(shù)，在4 cm×4 cm，且厚度為580 μm的石英基板上制作了30×30單元的超材料吸波體陣列。樣件如圖7(a)所示，圖7(b)為金相顯微鏡下的加工樣品。與設(shè)計(jì)值相比，樣品的整體加工誤差控制在±3 μm以?xún)?nèi)。

(a) (b)圖7 超材料吸波體加工成品(a)加工樣品 (b)吸波體金相顯微圖Figure 7. Fabricated metamaterial absorer(a)Fabricated sample (b)Microscopic image of the absorber

圖8為基于自由空間法搭建的樣品測(cè)試系統(tǒng)，整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)主要由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、喇叭天線(xiàn)以及連接兩者的VNA(Vector Network Analyzer)擴(kuò)頻模塊組成。在測(cè)試過(guò)程中，為了排除環(huán)境中的各種反射干擾，先行測(cè)試了與樣品相同尺寸銅板的反射情況，并將其測(cè)試結(jié)果作為初始化校準(zhǔn)值。而后，在與銅板相同的位置處對(duì)所加工的吸波體陣列進(jìn)行了反射測(cè)試。

圖8 測(cè)試裝置Figure 8. Measurement device

最終去除背景干擾得到的測(cè)試結(jié)果如圖9和圖10所示。當(dāng)偏置電壓從0 V逐漸增加至30 V時(shí)，吸波體的諧振頻率也隨之由117.95 GHz降至101.5 GHz，實(shí)現(xiàn)了諧振頻率的動(dòng)態(tài)可調(diào)，綜合可調(diào)率約為13.9%，且整個(gè)頻移過(guò)程中，吸收率始終維持在90%以上，與仿真分析的結(jié)果一致。此外，由于初始狀態(tài)的液晶分子對(duì)偏置電壓的改變更為敏感，所以當(dāng)偏置電壓在0～7.5 V范圍內(nèi)變化時(shí),吸波體展現(xiàn)了較強(qiáng)的頻率可調(diào)性。之后，隨著偏置電壓的持續(xù)增加，吸波體的可調(diào)性顯著減弱。

圖9 不同偏置電壓下測(cè)得的吸收曲線(xiàn)Figure 9. Measured absorptivity under different bias voltages

圖10 不同偏置狀態(tài)下的仿真與實(shí)測(cè)吸收曲線(xiàn)Figure 10. Simulated and measured absorptivity at unbiased and full-biased states

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于液晶及超材料的電控可調(diào)諧太赫茲吸波體，并從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面對(duì)其加以分析與驗(yàn)證。最終的結(jié)果顯示，通過(guò)改變施加在金屬貼片和金屬反射層間的偏置電壓的大小，所設(shè)計(jì)吸波體的吸收頻點(diǎn)最大可實(shí)現(xiàn)101.5～117.95 GHz范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)調(diào)控，綜合可調(diào)率達(dá)到13.9%，并且在整個(gè)工作頻段內(nèi)，吸收率均維持在90%以上。以上特性提示本文所設(shè)計(jì)的超材料吸波體在太赫茲波調(diào)控、探測(cè)等領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用前景。