李恒一，浦其榮，郭　強

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥　230026)

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基于超構(gòu)材料的太赫茲濾波器模擬實驗

李恒一，浦其榮，郭強

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥230026)

利用CST電磁場仿真軟件研究了金屬開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)在太赫茲波段的濾波特性以及磁場分布。結(jié)果表明，開口環(huán)結(jié)構(gòu)的幾何參量對太赫茲濾波峰的位置及峰寬有顯著影響。周期大小對共振峰頻譜寬度影響較大，金屬寬度變小，濾波峰會發(fā)生“紅移”，開口寬度變小，濾波峰也會產(chǎn)生“紅移”。

濾波器；超構(gòu)材料；太赫茲；CST；虛擬實驗

太赫茲波(THz)泛指頻率在0.1～10 THz區(qū)間的電磁波，由于THz波具有獨特的時域脈沖特性、低能和寬帶等特點，它能給材料科學(xué)、量子信息、醫(yī)療診斷、天文學(xué)、環(huán)境監(jiān)測、安全檢查、衛(wèi)星通訊、物品成像、軍用雷達等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景[1]。然而THz波對很多自然材料響應(yīng)弱，因此研究者嘗試利用人工超構(gòu)材料來操控太赫茲波。超構(gòu)材料是一種由周期或非周期的亞波長結(jié)構(gòu)組成的人工復(fù)合材料，其特性由精確設(shè)計的人工結(jié)構(gòu)決定，而與構(gòu)成材料的本征性質(zhì)相關(guān)不大，并能夠呈現(xiàn)出很多自然界材料所不具備的奇異物理特性，例如負折射現(xiàn)象[2]、隱身效應(yīng)[3]等。利用超構(gòu)材料可以很好地操控太赫茲波的振幅、相位、偏振特性[4-6]。

然而超構(gòu)材料的制備需要一系列微納加工設(shè)備，設(shè)備昂貴且加工工藝復(fù)雜，所以此類實驗在本科教學(xué)中難以開展。但隨著一系列電磁仿真軟件的出現(xiàn)，利用計算機即可模擬微納超構(gòu)材料的設(shè)計過程[7，8]，并可給出結(jié)構(gòu)的電磁場或電流分布、透射反射特性等圖表或圖形，既形象直觀，且成本低廉。本文基于CST微波工作室(Computer Simulation Technology,Microwave Studio)電磁仿真軟件，模擬設(shè)計一種基于開口諧振環(huán)超構(gòu)材料的太赫茲濾波器。本實驗作為研究性實驗，有利于本科生了解前沿的科學(xué)領(lǐng)域，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力，提高科研技能等綜合實驗素質(zhì)。

1　模型建立

選取的單元結(jié)構(gòu)為正方形的開口諧振環(huán)，如圖1所示，a為外環(huán)邊長，b為內(nèi)環(huán)邊長，c為開口寬度。濾波器由在x,y方向周期排列的開口環(huán)組成。在計算中，a,b,c值分別設(shè)為36,28,5 μm；x,y方向周期px和py均為70 μm；開口環(huán)材料設(shè)置為金，厚度200 nm；入射光傳播方向與x,y平面垂直，入射角設(shè)為0°。把電場方向與圖1中x軸平行時叫作TM模式，電場方向與y軸平行時叫作TE模式。

圖1　濾波器的單元結(jié)構(gòu)示意圖

2　結(jié)果及討論

2.1模擬結(jié)果及磁場分布

圖2給出了在TM和TE模式下，周期開口環(huán)的透射、反射、吸收譜。可看出在TM模式下，太赫茲波段內(nèi)出現(xiàn)兩個共振峰，對應(yīng)的透射率幾乎為零，即可實現(xiàn)雙頻濾波功能。

圖2　TM TE模式下太赫茲光透射、反射、吸收譜

而在TE模式下，僅有一個共振峰。為了更好地理解共振峰產(chǎn)生的物理機制，圖3給出了各共振頻率下開口環(huán)在z方向的磁場分布。由圖3(a)看出，對TM模式下1.23 THz共振頻率，存在沿金屬環(huán)一圈的表面電流，產(chǎn)生z方向的磁場，此響應(yīng)稱為磁偶極子模式[9]。對TM模式下3.61 THz共振頻率，此時金屬環(huán)電流方向不連續(xù)，z方向磁場分布沿金屬環(huán)分為3段，稱此為電偶極子模式。由圖3(c)也看出在TE激發(fā)下，3.0 THz對開口環(huán)的響應(yīng)屬于電偶極子模式。

3.2周期、金屬寬度、開口寬度的影響

下面來分析金屬開口環(huán)的周期、金屬寬度、以及開口寬度對太赫茲濾波器的工作頻率和帶寬的影響，激發(fā)模式選擇TM模式。圖4給出了周期的影響，可看出周期越小，濾波器的工作帶寬越寬。周期變小意味著各開口環(huán)之間距離減小，金屬環(huán)間相互作用加大，因此相應(yīng)頻譜會展寬。此外，周期大小對磁偶極子共振峰響應(yīng)較小，而周期變大會先引起電偶極子共振峰“藍移”，而進一步變大時峰位轉(zhuǎn)變?yōu)椤凹t移”。

圖3　各共振頻率下的z方向磁場分布

圖4　不同周期的影響

圖5給出了金屬寬度對濾波器性能的影響，金屬環(huán)外邊長不變，改變內(nèi)環(huán)邊長b即為改變金屬的寬度?？煽闯鼋饘賹挾仍叫?即b越大)，磁偶極子、電偶極子共振峰均會產(chǎn)生“紅移”，對磁偶極子共振峰頻譜影響很小，而金屬寬度的減小會引起電偶極子共振峰頻譜小幅度的展寬，說明金屬寬度大小對電偶極子響應(yīng)影響較大。

圖5　不同金屬寬度的影響

圖6給出的是不同金屬環(huán)開口寬度對太赫茲濾波器性能的影響。開口寬度越小，磁、電偶極子共振峰均會發(fā)生“紅移”，但是明顯看出開口寬度對磁偶極子響應(yīng)的影響主要體現(xiàn)在共振峰位置，而對電偶極子響應(yīng)的影響主要表現(xiàn)在共振峰頻譜寬度。

圖6　不同開口寬度的影響

3　結(jié)　　論

利用CST電磁場仿真軟件模擬計算了一種基于周期開口諧振環(huán)的太赫茲濾波器，給出了不同激發(fā)模式下共振頻率處的磁場分布，也給出了不同的開口環(huán)周期大小、金屬寬度、開口環(huán)寬度對共振峰位置、頻譜寬度的影響。結(jié)果表明，周期大小對共振峰頻譜寬度影響較大，金屬寬度變小，共振峰會發(fā)生“紅移”，開口寬度變小，共振峰也會產(chǎn)生“紅移”。在實驗中，學(xué)生可自行設(shè)計結(jié)構(gòu)，分析各參量對周期結(jié)構(gòu)共振峰的影響，有助培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，提高自我思考的能力，有助學(xué)生了解前沿的科學(xué)知識。

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Simulated Experiment of Terahertz Filter Based on Metamaterial

LI Heng-yi

(University of Science and Technology of China,Anhui Hefei 230026)

The filter properties and magnetic field distribution of gold split resonance ring (SRR) were studied using the CST software.The experimental results showed that the geometric parameters of SRR had a significant impact on the position and bandwidth of filter peak.The bandwidth of filter peak was obviously influenced by the period of the SRR.When the metal width decreased,the filter peak had a red shift；when the split width of SRR decreased,the filter peak also had a red shift.

Filter；metamaterial；terahertz；CST；virtual experiment

2016-04-28

1007-2934(2016)04-0001-03

O 4-39

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.004.001