王志豪

(湖北第二師范學院，湖北 荊州 430205)

1 緒論

1.1 太赫茲波段超材料吸收器簡介

20世紀80年代中期以前，因為缺少有效的輻射源和高性能的放射線檢測設備，沒有能夠得到足夠的研究和應用，所以被稱為“太赫茲間隙”。20世紀80年代以來，由于非常多新材料、新技術迅速的發(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，太赫茲波段的研究開始飛速發(fā)展。隨著材料科學的發(fā)展，出現(xiàn)了一系列的太赫茲響應器件，為之后太赫茲波段超材料的研究奠基了基礎。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器，研究和探索太赫茲波探測技術的重點放在了如何研究和發(fā)展太赫茲波段高吸收率探測器的結構。

1.2 太赫茲超材料吸收器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

天然材質(zhì)的屬性如磁導率和介電常數(shù)都是正數(shù)。Veselago在1968年經(jīng)過數(shù)理分析之后，提出了磁導率和介電常數(shù)均為負的材料，他猜想，材料可以分為左手材料(ε、μ均為負)、右手材料(ε、μ均為正)、負磁導率(ε為正、μ為負)還有負介電常數(shù)(ε為負、μ為正)。天然材質(zhì)大部分都是右手材料。1999年Perdry等人設計出一種亞波長開口諧振環(huán)結構[1]，該結構在微波波段實現(xiàn)了負磁導率。2007年A.Degiron，通過在一個分裂環(huán)諧振腔的間隙中摻雜一塊低摻雜的半導體來動態(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共振吸收。

2 超材料吸收器的設計

2.1 超材料吸收器吸收原理

由疏松的材料構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成的幾何過渡型吸收器。這兩類吸收器都可以實現(xiàn)寬帶吸收。由電阻片和介質(zhì)層交替堆疊的多層結構構成的諧振型吸收器。這三種吸收器在太赫茲頻段都無法使用。

2.2 本文采用的超材料吸收器結構設計與仿真

3 仿真模擬結果與討論

在模擬中，假定沒有光照的硅的電導率σSi為1 S/m。當光輻射入射到硅上時，光的能量超過半導體的帶隙能量，就會產(chǎn)生過剩的載流子密度，硅的電導率從1 S/m可以改變到2 000 S/m。通過數(shù)值模擬計算，能夠算出透射系數(shù)t與反射系數(shù)r(但是因為吸收器的底層使用的是一塊連續(xù)金屬導體平面，電磁波無法穿過超材料，所以t=0)，由A=1-r2計算得到吸收率R。

隨著硅導電率的增大，第一共振吸收峰附近強度減弱，同時，第二共振吸收峰附近逐漸增強，如圖2所示。對于σSi增大到2 000 S/m的過程，共振頻率不斷向高頻移動，最大吸收峰由0.83 THz移動到1.8 THz，實現(xiàn)了一個相當寬的藍移，高達54%。還有另一種通過改變介質(zhì)層的厚度來實現(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擴大磁偶。

4 論文總結和未來展望

4.1 論文總結

要想提高能在太赫茲波段響應的探測器的靈敏度，一般要在探測器外面套上一個吸收器，探測器的靈敏度取決于套在外面的吸收器的吸收率，探測器的探測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口諧振環(huán)的典型的三層結構太赫茲超材料寬帶吸收器。

4.2 未來展望

本文模擬的太赫茲超材料寬帶吸收器也有著很好的應用前景，通過模擬仿真加深對該類吸收器的了解，為探究太赫茲領域打好基礎。