胡丹 王可心王娩寧

摘要：超材料是由人工合成的新型材料，其電磁響應主要取決于構(gòu)成材料性質(zhì)以及微結(jié)構(gòu)的物理尺寸和結(jié)構(gòu)排列。超材料吸收器通過優(yōu)化設(shè)計合理的微結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)特定頻段電磁波的完美吸收。超材料吸收器具有厚度薄、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、吸收率高等優(yōu)勢，可廣泛應用于電磁隱身、折射率傳感、熱成像、電磁屏蔽等領(lǐng)域。本文結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上簡要綜述幾種類型的超材料吸收器的設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞：超材料；吸收器；頻帶

超材料是指一種自然材料所不具備的反常電磁特性的人工合成材料，近年來其研究受到各界廣泛的關(guān)注。利用超材料可以實現(xiàn)對電磁波的波長、相位、偏振態(tài)、傳播方向以及角動量的靈活有效調(diào)控，從而實現(xiàn)負折射、平板透鏡以及電磁隱身等新奇的電磁特性。超材料一個特別引人關(guān)注的應用領(lǐng)域是電磁波“完美吸收器”，完美吸收器是美國波士頓學院Landy等人在2008年首次提出的，這是一種基于超材料的電磁共振吸收器，通過合理設(shè)計器件的結(jié)構(gòu)尺寸和材料參數(shù)，入射電磁波能夠在結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生反向電流，從而使電磁波局域在介質(zhì)層內(nèi)實現(xiàn)特定電磁波的完美吸收。[1]目前，吸收器的潛在應用包括電磁隱身、熱成像、折射率傳感等領(lǐng)域。筆者分類簡要介紹了不同類型的超材料吸收器的設(shè)計方法。

一、單頻帶超材料吸收器

單頻帶超材料吸收器可應用于提高器件在某個單一頻率點的探測性能。常見的單頻帶超材料吸收器是由亞波長金屬結(jié)構(gòu)/介質(zhì)/金屬膜所構(gòu)成的三明治結(jié)構(gòu)，例如，Tao等人利用金屬劈裂環(huán)/介質(zhì)/金屬膜結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了超材料吸收器在太赫茲波段的單頻帶吸收，在共振頻率1.6THz處對入射波的吸收率高達97%，對不同傾斜角入射的TM和TE波都能夠?qū)崿F(xiàn)良好的吸收效果。[2]隨后，眾多科研人員開始對單頻帶超材料吸收器進行理論和實驗研究，其研究頻率范圍也從開始的微波波段逐漸擴展到太赫茲、紅外、可見光。此外，基于全介質(zhì)或全金屬結(jié)構(gòu)的超材料吸收器也可以實現(xiàn)單頻帶的完美吸收，例如，美國杜克大學的Liu等人利用高摻雜硅設(shè)計超材料吸收器，實驗上在1.186THz頻率處實現(xiàn)了97.5%的完美吸收。[3]二、雙頻帶超材料吸收器

在某些情況下，超材料器件需要在兩個頻率點同時具有良好探測性能，因此需要雙頻帶超材料吸收器，這就要求吸收器能夠在兩個頻率處同時具有良好的吸收效率。雙頻帶吸收器結(jié)構(gòu)與單頻帶類似，多采用“金屬微結(jié)構(gòu)/介質(zhì)/金屬膜”的三明治結(jié)構(gòu)，只不過在微結(jié)構(gòu)陣列中的每個結(jié)構(gòu)單元是由兩個不同尺寸的相似結(jié)構(gòu)所構(gòu)成，各自對應一個頻率的吸收峰。例如，Wen等人設(shè)計和制備了金屬劈裂環(huán)/介質(zhì)/金屬膜結(jié)構(gòu)，實驗測量結(jié)果顯示此吸收器可在0.45THz和0.92THz處分別實現(xiàn)80.8%和63.4%的吸收效率。[4]

三、多頻帶超材料吸收器

與雙頻帶吸收器的設(shè)計方法相類似，常通過多個不同尺寸的相似結(jié)構(gòu)構(gòu)成一個結(jié)構(gòu)單元來增加更多的共振頻率，以實現(xiàn)多個頻帶的完美吸收，從而滿足多個頻帶的高探測性能的需求。例如，Shen等人提出三個嵌套的金屬環(huán)來實現(xiàn)三個頻帶的高吸收，理論和實驗結(jié)果表明，在4.06GHz、 6.73GHz、9.22GHz三個頻帶處分別實現(xiàn)吸收率為99%、93%、95%。[5]此外，通過單個結(jié)構(gòu)激發(fā)更多級次的等離子體共振，同樣也可以實現(xiàn)多頻帶的高吸收效率，例如，Hu等人提出“U”形金屬環(huán)，在太赫茲頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)了六個頻帶的高吸收率。

四、寬頻帶超材料吸收器

單頻帶、雙頻帶等窄帶吸收器可用于窄帶探測、傳感、成像等。然而，在許多實際應用過程中，例如寬帶傳感、寬帶增透膜、寬帶熱輻射計等，需要寬帶的超材料吸收器才能滿足要求。對于寬頻帶超材料吸收器的設(shè)計，研究人員主要從以下幾個方法來實現(xiàn)：一、結(jié)構(gòu)相似但尺寸不同的金屬結(jié)構(gòu)作為一個結(jié)構(gòu)單元陣列實現(xiàn)寬帶高吸收；二、雙層或多層金屬結(jié)構(gòu)堆棧來加寬吸收器的吸收帶寬；三、基于全介質(zhì)材料的超材料吸收器同樣可以實現(xiàn)寬帶高吸收率，例如，Pu等人利用重摻雜硅構(gòu)造光柵結(jié)構(gòu)，通過相消干涉和衍射的完美結(jié)合實現(xiàn)寬帶吸收。

五、總結(jié)

本文簡單介紹了幾種類型的超材料吸收器，典型的超材料吸收器為金屬結(jié)構(gòu)/介質(zhì)/金屬膜的三明治結(jié)構(gòu)單元陣列，通過改變頂層金屬結(jié)構(gòu)的形狀、大小可以獲得所需要的吸收頻率。雙頻帶、多頻帶、寬頻帶以可以通過在單頻帶吸收器的每個結(jié)構(gòu)單元的頂層中設(shè)計兩個、三個或更多的結(jié)構(gòu)相似尺寸不同的微結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。寬頻帶還可以通過雙層或多層金屬結(jié)構(gòu)堆?；蛉橘|(zhì)材料來實現(xiàn)。

參考文獻：

[1]N.I.Landy et al，Phys.Rev.Lett.100，207402 （2008）.

[2]H.Tao et al，Phys.Rev.B 78，241103（R） （2008）.

[3]X.Liu et al，Opt.Express 25，191 （2017）.

[4]Q.Y.Wen et al.Appl.Phys.Lett.，95，241111（2009）.

[5]X.Shen et al.，Opt.Express 19，9401 （2011）.

[6]D.Hu et al，IEEE Photon.J.8，5500608 （2016）.

[7]M.Pu et al，Opt.Express 20，25513 （2012）.

作者簡介：胡丹（1981），男，漢族，安徽宿州人，博士研究生，安陽師范學院講師，研究方向：超材料、微納光子器件。