王鑫 王俊林

(內(nèi)蒙古大學電子信息工程學院,呼和浩特 010021)

太赫茲超材料吸波器作為一類重要的超材料功能器件,除了可以實現(xiàn)對入射太赫茲波的完美吸收外,還可以作為折射率傳感器實現(xiàn)對周圍環(huán)境信息變化的捕捉與監(jiān)測.通常從優(yōu)化表面金屬諧振單元結(jié)構(gòu)和改變介質(zhì)層材料和形態(tài)兩個方面出發(fā),改善太赫茲超材料吸波器的傳感特性.為深入研究中間介質(zhì)層對太赫茲超材料吸波器傳感特性的影響,本文基于金屬開口諧振環(huán)陣列設計實現(xiàn)了具有連續(xù)介質(zhì)層、非連續(xù)介質(zhì)層和微腔結(jié)構(gòu)的3 款太赫茲超材料吸波器,并對其傳感特性與傳感機理進行了深入研究.結(jié)果表明,為了提高太赫茲超材料吸波器的折射率靈敏度、最大探測范圍等傳感特性,除了可以選用相對介電常數(shù)較小的材料作為中間介質(zhì)層外,還可以改變中間介質(zhì)層的形態(tài),進而減小中間介質(zhì)層對諧振場的束縛,增強諧振場與被測分析物之間的耦合.與傳統(tǒng)的具有連續(xù)介質(zhì)層的太赫茲超材料吸波器相比,具有非連續(xù)介質(zhì)層和微腔結(jié)構(gòu)的超材料吸波器具有更優(yōu)越的傳感特性,可應用于對待測分析物的高靈敏度、快速檢測,在未來的傳感領域具有更加廣闊的應用前景.

1 引 言

太赫茲(terahertz,THz)[1]波通常是指頻率在0.1—10 THz 范圍內(nèi),波長在30—3000 μm 的電磁波,在電磁波譜中介于紅外光與微波之間.太赫茲技術[1?4]融合了宏觀電子學與微觀光子學的優(yōu)勢,廣泛涉及物理學、光學、電磁場與微波技術、材料學等學科,因此相關的研究對各個學科的相互借鑒和融合具有重大的科學意義.

自然材料難以對太赫茲波產(chǎn)生強烈響應,而電磁超材料的出現(xiàn)彌補了自然材料對太赫茲波缺乏響應的缺陷,于是,研究人員逐步將研究重點轉(zhuǎn)移到基于超材料的太赫茲器件中.超材料(Metamaterials,MMs)[5?7]通常是由刻蝕在半導體襯底或電介質(zhì)基底上,按照特定規(guī)則排列的具有亞波長或深亞波長尺寸的金屬諧振單元陣列構(gòu)成的人工電磁材料,具有自然材料所不具備的超常物理性質(zhì),能夠以一定的方式操控電磁波.超材料對周圍環(huán)境介電性質(zhì)的改變具有敏感特性,且對入射電磁場的局域性增強具有很強的光譜特性[8?10],當外圍環(huán)境的介電特性發(fā)生改變時,太赫茲波通過超材料后的諧振特性(諧振幅度、諧振頻率等)會隨之發(fā)生變化,因此通過觀察或測定該變化,可以實現(xiàn)對超材料周圍非線性物質(zhì)的探測和對極少量待測物的選擇.

太赫茲超材料吸波器[11?13]作為太赫茲超材料的一種典型結(jié)構(gòu),在完美吸收體、傳感器、成像系統(tǒng)、熱輻射器等領域發(fā)揮著重要的作用.自太赫茲超材料吸波器被廣泛應用于實現(xiàn)對待測生物分析物的傳感檢測后,研究人員一直致力于不斷提高太赫茲超材料吸波器的品質(zhì)因數(shù)Q、折射率靈敏度、FOM (figure of merit)值等各項傳感特性指標.首先,從改變超材料表面金屬諧振單元結(jié)構(gòu)出發(fā)[14?22],考慮引入LC 諧振、偶極子諧振、四偶極子諧振、Fano 諧振、類電磁誘導透明效應等,產(chǎn)生更加尖銳的諧振峰,進而提高傳感器的品質(zhì)因數(shù)Q; 其次,從改變介質(zhì)材料和介質(zhì)層形態(tài)出發(fā)[23?32],減小介質(zhì)層效應,進而提高傳感器的靈敏度; 此外,通過設計合適的諧振單元結(jié)構(gòu),實現(xiàn)具有多諧振峰的超材料吸波器[33,34],實現(xiàn)傳感器與待測物質(zhì)之間特征頻率的多點匹配,增加反映被測物質(zhì)差異的信息量,提高物質(zhì)探測的精確度和靈敏度.

為了改善超材料吸波器作為折射率傳感器的傳感能力,本文擬從改變介質(zhì)層材料和形態(tài)出發(fā),基于開口諧振環(huán)單元陣列設計實現(xiàn)具有連續(xù)介質(zhì)層、非連續(xù)介質(zhì)層和微腔結(jié)構(gòu)等3 款可工作于太赫茲頻段的超材料吸波器.基于電磁仿真軟件,首先對太赫茲超材料吸波器的吸收特性進行數(shù)值計算,其次通過考察超材料吸波器對金屬諧振單元陣列周圍的待測物質(zhì)參數(shù)響應的變化,驗證其作為折射率傳感器的可行性,最后通過數(shù)值計算對超材料吸波器的傳感特性進行深入比較.通過對具有連續(xù)介質(zhì)層的太赫茲超材料吸波器諧振場分布的仿真研究,深入分析了超材料吸波器作為折射率傳感器的傳感機理,揭示了各類超材料吸波器傳感特性存在差異的內(nèi)在原因.與傳統(tǒng)的具有連續(xù)介質(zhì)層的太赫茲超材料吸波器相比,基于非連續(xù)介質(zhì)層和微腔結(jié)構(gòu)的超材料吸波器具有更優(yōu)越的傳感特性,可應用于對待測物質(zhì)的高靈敏度、快速檢測,在未來的傳感領域具有更加廣闊的應用前景.

2 具有連續(xù)介質(zhì)層的太赫茲超材料吸波器

2.1 結(jié)構(gòu)設計與仿真

基于連續(xù)介質(zhì)層和金屬開口諧振環(huán)陣列的太赫茲超材料吸波器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示,該超材料吸波器具有典型的“三明治”結(jié)構(gòu),即自下向上分別由底層的連續(xù)金屬層、中間的連續(xù)介質(zhì)層和頂層的金屬開口諧振環(huán)陣列構(gòu)成.其中,底層的連續(xù)金屬層和頂層的開口諧振環(huán)陣列的材料均采用金屬銅(電導率 σ =5.8×107S/m ),而中間的連續(xù)介質(zhì)層采用無損的柔性聚酰亞胺(polyimide,PI) 材料(相對介電常數(shù) εr=3.5 ).

圖1 基于連續(xù)介質(zhì)層和金屬開口諧振環(huán)陣列的太赫茲超材料吸波器的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1.Schematic diagram of THz MM absorber based on continuous dielectric layer and metallic split-ring resonator array.

采用基于有限元法的電磁仿真軟件的頻域求解器對該太赫茲超材料吸波器的結(jié)構(gòu)進行仿真優(yōu)化.在仿真過程中,太赫茲波垂直入射到超材料吸波器表面,波矢量k 沿著z 軸方向,電場E 沿著x軸方向,而磁場H 沿著y 軸方向.另外,在x-y 平面上設置周期性的邊界條件,z 平面上設置開放性的邊界條件,以此來模擬無限周期陣列.

當太赫茲波垂直入射,且基于開口諧振環(huán)陣列的太赫茲超材料吸波器取如下優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù),即L1= L2= 230 μm,L3= L4= 112.5 μm,W1=12 μm,Hr= 0.3 μm,結(jié)構(gòu)單元周期為P = 250 μm,中間介質(zhì)層的厚度為Hd= 25 μm,底層金屬底板的厚度為 Hm=2 μm,對應的吸收特性曲線如圖2所示.該超材料吸波器在 f0= 0.183 THz 處產(chǎn)生了一個吸收率為99.97%的吸收峰,實現(xiàn)了對入射太赫茲波的“完美”吸收.就諧振帶寬而言,該太赫茲超材料吸波器的諧振峰半高寬 (full width half maximum,FWHM)為9.3 GHz.通常,品質(zhì)因數(shù)Q反映了傳感器的諧振特性,即諧振峰越尖銳,其對應的Q 值越大,傳感器的靈敏度也越高.此外,Q值也決定了傳感器的分辨率,Q 值越大,傳感器的分辨率也越高.傳感器的品質(zhì)因數(shù)Q 可定義為Q(f0)=f0/FWHM ,其中 f0為諧振峰的諧振頻率.對于該太赫茲超材料吸波器來說,諧振峰所對應的品質(zhì)因數(shù)為 Q (f0) = 19.7,較高的品質(zhì)因數(shù)說明了該太赫茲超材料吸波器具有較強的頻率選擇性.

圖2 具有連續(xù)介質(zhì)層的太赫茲超材料吸波器的吸收特性仿真曲線Fig.2.Simulated absorption characteristic curve of THz MM absorber with continuous dielectric layer.

為了進一步理解該太赫茲超材料吸波器的諧振機理,數(shù)值仿真研究了諧振頻率處的表面電場、表面電流及 y = 0 截面的電場和 x = 0 截面的磁場分布.如圖3(a)所示,諧振頻率處開口諧振環(huán)的表面電流主要集中在左右兩個邊緣處,且電荷在上下兩個端點處交替積累,說明該諧振峰源于開口諧振環(huán)中的電偶極子諧振.從圖3(b)可以看出,諧振頻率處的表面電場主要分布在開口諧振環(huán)的上下兩端,而這兩端正是圖3(a)所示的電荷累積的地方,因此,圖3(a)所示的表面電流分布與圖3(b)所示的表面電場分布實現(xiàn)了良好的吻合.

雖然,開口諧振環(huán)陣列可對入射電磁場產(chǎn)生強烈諧振,實現(xiàn)對諧振電磁場的局域增強,然而,從諧振頻率處 y = 0 截面的電場和 x =0 截面的磁場分布可以看到(如圖4(a)和圖4(b)所示),對于具有連續(xù)介質(zhì)層和金屬開口諧振環(huán)陣列的超材料吸波器來說,有很大一部分諧振電磁場被局限在了中間介質(zhì)層的內(nèi)部,而這部分諧振場很難與涂覆于金屬諧振單元陣列表面的待測分析物充分接觸,因此對由待測分析物改變而引起的周圍環(huán)境介電性質(zhì)的改變?nèi)狈γ舾行?

2.2 傳感特性與傳感機理研究

為研究該太赫茲超材料吸波器作為傳感器對待測分析物參數(shù)的電磁響應特性,將待測分析物涂覆于超材料吸波器的金屬諧振單元陣列表面,并對其參數(shù)變化時的吸收特性進行一系列仿真分析.

圖3 (a) 諧振頻率處的表面電流分布; (b) 諧振頻率處的表面電場分布Fig.3.(a) Surface current distribution at the resonance frequency; (b) surface electric field distribution at the resonance frequency.

圖4 (a) 諧振頻率處 y = 0 截面的電場分布; (b) 諧振頻率處 x = 0 截面的磁場分布Fig.4.(a) Electric field distribution at cross section of y = 0 at the resonance frequency; (b) magnetic field distribution at cross section of x = 0 at the resonance frequency.

由于許多生物分子的折射率都處在1.0—2.0范圍內(nèi),因此,在整個仿真過程中將待測生物分析物的折射率范圍設定為1.0—1.8.當涂覆于超材料吸波器表面的待測分析物的厚度固定為Ha= 0.3 μm(金屬開口諧振環(huán)陣列的高度,恰好將金屬開口諧振環(huán)陣列浸沒于待測分析物中)不變,而折射率從n = 1 增加到n = 1.8,該太赫茲超材料吸波器的諧振頻率發(fā)生明顯紅移(如圖5 所示).通常,傳感器的折射率頻率靈敏度定義為 S (f)=df/dn ,其中,d f = f ?f1表示傳感器諧振頻率的變化(f 為超材料吸波器表面涂覆具有不同折射率的待測分析物后所對應的諧振頻率,f1為待測分析物為折射率n = 1 的空氣時所對應的諧振頻率); dn 表示待測分析物折射率的變化.如圖6 所示,當待測分析物的厚度固定為Ha= 0.3 μm 時,而折射率以0.1 為間隔從n = 1 增加到n = 1.8 時,該太赫茲超材料吸波器所對應的折射率頻率靈敏度 S (f) 為8.6 GHz/RIU,其 中RIU (refractive index unit)代表單位折射率.

圖5 在分析物折射率從n = 1 變化到n = 1.8 時具有連續(xù)介質(zhì)層的太赫茲超材料吸波器的吸收特性仿真曲線Fig.5.Simulated absorption characteristic curves of THz MM absorber with continuous dielectric layer under analyte refractive index changes from n = 1 to n = 1.8.

為了對工作在不同頻段的傳感器性能進行更加合理的比較,通常采用FOM 值對傳感器特性進行描述,當傳感器的靈敏度 S 相同時,FOM 值越大,則傳感器的性能越好.FOM 值可定義為FOM=S/FWHM ,其中 S 表示傳感器的折射率頻率靈敏度.對于該太赫茲超材料吸波器來說,FOM = 0.92.

由此可見,基于連續(xù)介質(zhì)層和開口諧振環(huán)陣列的太赫茲超材料吸波器可以作為折射率傳感器實現(xiàn)對涂覆于其表面具有不同折射率的待測分析物的傳感檢測,但是從其對應的折射率頻率靈敏度S(f) 和FOM 值可以看出,該傳感器的檢測靈敏度有限,其傳感性能仍有待提升.究其原因,主要是由于該太赫茲超材料吸波器的諧振電磁場大部分被緊密束縛在中間介質(zhì)層中(如圖4 所示),只有延伸到超材料吸波器諧振單元陣列表面的邊緣場才能與待測分析物充分接觸,發(fā)生傳感現(xiàn)象,而這部分場的強度直接決定了傳感器的靈敏度.

為了提高該太赫茲超材料吸波器的折射率頻率靈敏度,在所有參數(shù)均保持不變的情況下,僅改變中間介質(zhì)層的材料,則傳感器的折射率頻率靈敏度發(fā)生了明顯改變,如圖7 所示.當中間介質(zhì)層材料為相對介電常數(shù) εr= 4.4 的FR-4 時,折射率頻率靈敏度 S (f) = 8.3 GHz/RIU,而當中間介質(zhì)層材料為相對介電常數(shù) εr= 2.68 的PDMS 時,折射率頻率靈敏度 S (f) = 15.2 GHz/RIU,實現(xiàn)了靈敏度的大幅提升.中間介質(zhì)層材料的介電常數(shù)越小(折射率越低),則對諧振場的束縛越小,因此有更多的諧振場擴展到了開口諧振環(huán)陣列表面,實現(xiàn)了與待測分析物的充分接觸,提高了傳感器的靈敏度.

圖6 在分析物折射率從n = 1 變化到n = 1.8 時具有連續(xù)介質(zhì)層的太赫茲超材料吸波器的諧振頻率偏移及其線性擬合Fig.6.Resonance frequency shifts and linear fitting of THz MM absorber with continuous dielectric layer under analyte refractive index changes from n = 1 to n = 1.8.

圖7 介質(zhì)層材料的相對介電常數(shù)變化對傳感器折射率頻率靈敏度的影響Fig.7.Influence of relative permittivity of dielectric layer material on the refractive index frequency sensitivity of the sensor.

以上仿真分析已經(jīng)驗證了所設計的基于連續(xù)介質(zhì)層的太赫茲超材料吸波器對涂覆于其表面的待測分析物的折射率存在不同的電磁響應,下面通過仿真分析深入探討該太赫茲超材料吸波器的最大探測范圍,即可以檢測的被測分析物的最大厚度.

如圖8 和圖9 所示: 當涂覆于超材料吸波器表面的待測分析物的厚度Ha從0.3 μm (金屬開口諧振環(huán)陣列的高度,恰好將金屬開口環(huán)諧振陣列浸沒于待測分析物中)逐漸增大到25 μm,待測分析物與超材料吸波器表面的邊緣場從部分接觸逐步實現(xiàn)了充分的全接觸,于是太赫茲超材料吸波器的折射率頻率靈敏度 S (f) 從8.6 GHz/RIU 呈指數(shù)趨勢增大到34.8 GHz/RIU; 然而,超材料吸波器周圍的諧振場屬于近場,超過一定的空間范圍后,遠離超材料表面的諧振場將呈指數(shù)下降.因此,當待測分析物的厚度Ha從25 μm 繼續(xù)增大到80 μm,該太赫茲超材料吸波器的折射率頻率靈敏度 S (f) 從34.8 GHz/RIU 小幅增加到36.2 GHz/RIU,并逐漸趨于飽和,即對待測分析物的厚度已不再敏感.

圖8 在分析物厚度不同條件下,分析物折射率從n = 1變化到n = 1.8 時具有連續(xù)介質(zhì)層的太赫茲超材料吸波器的諧振頻率偏移Fig.8.Resonance frequency shifts of THz MM absorber with continuous dielectric layer under analyte refractive index changes from n = 1 to n = 1.8 for different thicknesses of the analyte.

因此,對于該太赫茲超材料吸波器而言,為獲得較高的傳感靈敏度,應根據(jù)實際需要選擇在金屬諧振單元陣列表面涂覆較厚的待測分析物,但是并不意味著折射率頻率靈敏度會隨著分析物厚度的增大而無限制的增大下去,當待測分析物的厚度為80 μm 時,可以獲得很高的傳感靈敏度.

圖9 選用連續(xù)介質(zhì)層的太赫茲超材料吸波器作為傳感器時,被測分析物厚度對傳感器折射率頻率靈敏度的影響Fig.9.Influence of the thickness of the analyte to be measured on the refractive index frequency sensitivity of the sensor for the THz MM absorber with continuous dielectric layer.

3 具有非連續(xù)介質(zhì)層的太赫茲超材料吸波器

3.1 結(jié)構(gòu)設計與仿真

基于對具有連續(xù)介質(zhì)層的太赫茲超材料吸波器的傳感特性與機理的深入分析,我們知道,連續(xù)介質(zhì)層對諧振電磁場的強烈束縛,限制了諧振電磁場與被測分析物之間的相互作用,最終影響了太赫茲超材料吸波器作為傳感器的折射率頻率靈敏度.雖然通過選用相對介電常數(shù)(折射率)較低的材料作為中間介質(zhì)層,可以在一定程度上改善傳感器的靈敏度,但是其作用仍然有限.

為了進一步提升太赫茲超材料吸波器的折射率頻率靈敏度,減小中間介質(zhì)層對諧振電磁場的束縛,增強諧振電磁場與被測分析物之間的相互作用,實現(xiàn)兩者之間的緊密耦合,提出了具有非連續(xù)介質(zhì)層的太赫茲超材料吸波器結(jié)構(gòu),如圖10 所示,該超材料吸波器自下向上分別由底層的連續(xù)金屬層、中間的非連續(xù)介質(zhì)層和頂層的金屬開口諧振環(huán)陣列構(gòu)成,其中非連續(xù)介質(zhì)層與金屬開口諧振環(huán)陣列的形狀完全相同.該太赫茲超材料吸波器所采用的材料和對應的結(jié)構(gòu)參數(shù)與具有連續(xù)介質(zhì)層的太赫茲超材料吸波器完全一致,兩者之間的唯一區(qū)別僅在于介質(zhì)層的形態(tài)不同.

如圖11 所示,當太赫茲波垂直入射時,具有非連續(xù)介質(zhì)層的太赫茲超材料吸波器在 f0=0.245 THz 處產(chǎn)生了1 個吸收率為93.3%的吸收峰,對應的諧振峰半高寬FWHM 為13 GHz,對應的品質(zhì)因數(shù)為 Q (f0) = 18.8.與圖2 所示的具有連續(xù)介質(zhì)層的太赫茲超材料吸波器的吸收特性曲線相比,該太赫茲超材料吸波器的諧振峰發(fā)生了藍移,吸收率有所下降,諧振峰半高寬FWHM 增大,品質(zhì)因數(shù) Q 小幅減小,這主要源于本設計所采用的不連續(xù)介質(zhì)層.由于中間介質(zhì)層的不連續(xù),使得原來局限在連續(xù)介質(zhì)層當中的諧振電磁場發(fā)生了泄漏,因此影響了該太赫茲超材料吸波器的吸收特性.

圖10 基于非連續(xù)介質(zhì)層和金屬開口諧振環(huán)陣列的太赫茲超材料吸波器的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.10.Schematic diagram of THz MM absorber based on discontinuous dielectric layer and metallic split-ring resonator array.

圖11 具有非連續(xù)介質(zhì)層的太赫茲超材料吸波器的吸收特性仿真曲線Fig.11.Simulated absorption characteristic curve of THz MM absorber with discontinuous dielectric layer.

3.2 傳感特性與傳感機理研究

當涂覆于超材料吸波器表面的待測分析物的厚度固定為Ha= 25.3 μm (中間介質(zhì)層的高度與金屬開口諧振環(huán)陣列的高度之和,恰好將金屬開口諧振環(huán)陣列浸沒于待測分析物中)不變,而折射率從n = 1 增加到n = 1.8,如圖12 所示,該太赫茲超材料吸波器的諧振頻率發(fā)生明顯紅移,對應的吸收率逐漸增大.當分析物折射率為n = 1.8 時,與具有連續(xù)介質(zhì)層的太赫茲超材料吸波器一樣,實現(xiàn)了對入射電磁波的“完美”吸收.

圖12 在分析物折射率從n = 1 變化到n = 1.8 時具有非連續(xù)介質(zhì)層的太赫茲超材料吸波器的吸收特性仿真曲線Fig.12.Simulated absorption characteristic curves of THz MM absorber with discontinuous dielectric layer under analyte refractive index changes from n = 1 to n = 1.8.

圖13 在分析物折射率從n = 1 變化到n = 1.8 時具有非連續(xù)介質(zhì)層的太赫茲超材料吸波器的諧振頻率偏移及其線性擬合Fig.13.Resonance frequency shifts and linear fitting of THz MM absorber with discontinuous dielectric layer under analyte refractive index changes from n = 1 to n = 1.8.

如圖13 所示,當待測分析物的厚度固定為Ha= 25.3 μm,而折射率以0.1 為間隔從n = 1 增加到n = 1.8 時,該太赫茲超材料吸波器所對應的折射率頻率靈敏度 S (f)=65.8 GHz/RIU,FOM =5.06,遠高于具有連續(xù)介質(zhì)層的太赫茲超材料吸波器的折射率頻率靈敏度 S (f) = 8.6 GHz/RIU 和FOM = 0.92.由此可見,所設計的基于非連續(xù)介質(zhì)層與開口諧振環(huán)陣列的太赫茲超材料吸波器可以作為折射率傳感器實現(xiàn)對涂覆于其表面的待測分析物的高靈敏度傳感檢測.

如圖14 和圖15 所示: 當涂覆于超材料吸波器表面的待測分析物的厚度Ha從12.5 μm (中間介質(zhì)層高度的一半)增大到25 μm (中間介質(zhì)層的高度),繼續(xù)增大到25.3 μm (中間介質(zhì)層的高度與金屬開口諧振環(huán)陣列的高度之和,恰好將金屬開口諧振環(huán)陣列浸沒于待測分析物中),直到50 μm 時,待測分析物與超材料吸波器的邊緣場從部分接觸逐步實現(xiàn)了緊密的全接觸,于是太赫茲超材料吸波器的折射率頻率靈敏度 S (f) 從12.75 GHz/RIU 呈指數(shù)趨勢增大到102.4 GHz/RIU; 同樣,由于遠離超材料吸波器表面的諧振場呈指數(shù)下降,因此,當待測分析物的厚度 Ha從50 μm 繼續(xù)增大到100 μm,該太赫茲超材料吸波器的折射率頻率靈敏度S(f)逐漸趨于飽和,基本保持在 S (f) = 105.2 GHz/RIU不變.對于該太赫茲超材料吸波器而言,為獲得較高的傳感靈敏度,應根據(jù)實際需要選擇在其表面涂覆厚度大于中間介質(zhì)層高度與金屬開口諧振環(huán)陣列高度之和的待測分析物.當待測分析物的厚度為80 μm 時,即可獲得很高的傳感靈敏度,之后待測分析物的厚度繼續(xù)增加,不會再對其傳感靈敏度產(chǎn)生明顯影響.

圖14 在分析物厚度不同條件下,分析物折射率從n = 1變化到n = 1.8 時具有非連續(xù)介質(zhì)層的太赫茲超材料吸波器的諧振頻率偏移Fig.14.Resonance frequency shifts of THz MM absorber with discontinuous dielectric layer under analyte refractive index changes from n = 1 to n = 1.8 for different thicknesses of the analyte.

圖15 選用非連續(xù)介質(zhì)層的太赫茲超材料吸波器作為傳感器時,被測分析物厚度對傳感器折射率頻率靈敏度的影響Fig.15.Influence of the thickness of the analyte to be measured on the refractive index frequency sensitivity of the sensor for the THz MM absorber with discontinuous dielectric layer.

仿真結(jié)果表明,基于連續(xù)介質(zhì)層與非連續(xù)介質(zhì)層的太赫茲超材料吸波器對待測分析物的最大探測厚度基本都可以達到80 μm.對基于連續(xù)介質(zhì)層和非連續(xù)介質(zhì)層的太赫茲超材料吸波器在不同待測分析物厚度情況下的折射率頻率靈敏度進行比較會發(fā)現(xiàn)(比較圖9 和圖15),當待測分析物厚度較薄(Ha≤12.5 μm)時,選用具有連續(xù)介質(zhì)層的太赫茲超材料吸波器作為傳感器可獲得更高的靈敏度,而當待測分析物厚度較厚(Ha≥25 μm),選用具有非連續(xù)介質(zhì)層的太赫茲超材料吸波器作為傳感器獲得的傳感靈敏度會更高.

4 具有微腔結(jié)構(gòu)的太赫茲超材料吸波器

4.1 結(jié)構(gòu)設計與仿真

為了進一步減小介質(zhì)層對諧振場的束縛,增強諧振場與被測分析物之間的相互作用,提升太赫茲超材料吸波器的折射率頻率靈敏度,提出具有微腔結(jié)構(gòu)的太赫茲超材料吸波器,如圖16 所示.該超材料吸波器自下向上分別由底層的連續(xù)金屬板、中間的微腔結(jié)構(gòu)、頂層的金屬開口諧振環(huán)陣列和支撐層構(gòu)成.所謂的微腔結(jié)構(gòu)其實就是在底層的連續(xù)金屬板與頂層的支撐層之間形成的微米級別的空隙,填充到微腔結(jié)構(gòu)中的待測分析物可充當該太赫茲超材料吸波器的中間介質(zhì)層.該太赫茲超材料吸波器所采用的材料和對應的結(jié)構(gòu)參數(shù)仍然與具有連續(xù)介質(zhì)層的太赫茲超材料吸波器保持完全一致,且金屬諧振單元陣列的下表面與底層連續(xù)金屬層之間的距離設置為Hd= 25 μm.

如圖17 所示,當太赫茲波垂直入射時,該太赫茲超材料吸波器在 f0= 0.277 THz 處產(chǎn)生了1 個吸收率為86.6%的吸收峰,對應的諧振峰半高寬FWHM 為15 GHz,品質(zhì)因數(shù)為 Q (f0) = 18.4.與圖2 和圖11 所示的太赫茲超材料吸波器的吸收特性曲線相比,該太赫茲超材料吸波器的諧振峰發(fā)生藍移,吸收率下降,諧振峰半高寬FWHM 增大,品質(zhì)因數(shù) Q 小幅減小,這樣的差異源于仿真過程中在金屬諧振單元陣列與底層連續(xù)金屬層之間未填充任何物質(zhì),因此影響了該太赫茲超材料吸波器的吸收特性.

圖16 待測分析物充當介質(zhì)層的太赫茲超材料吸波器的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.16.Schematic diagram of THz MM absorber whose analyte to be measured acts as dielectric layer.

圖17 未填充待測分析物的太赫茲超材料吸波器的吸收特性仿真曲線Fig.17.Simulated absorption characteristic curve of THz MM absorber without filling the analyte to be measured.

4.2 傳感特性與傳感機理研究

充當中間介質(zhì)層的待測分析物厚度固定為Ha= 25.3 μm (金屬開口諧振環(huán)陣列的上表面與底面連續(xù)金屬板之間的高度,恰好將金屬諧振環(huán)陣列浸沒于待測分析物中)不變,而折射率從n = 1增加到n = 1.8,如圖18 所示,該太赫茲超材料吸波器的諧振頻率同樣發(fā)生明顯紅移,對應的吸收率逐漸增大.當分析物折射率為n = 1.8 時,實現(xiàn)了對入射電磁波的“完美”吸收.

圖18 分析物折射率從n = 1 變化到n=1.8 時具有微腔結(jié)構(gòu)的太赫茲超材料吸波器的吸收特性仿真曲線Fig.18.Simulated absorption characteristic curve of THz MM absorber with microcavity structure under analyte refractive index range from n = 1 to n = 1.8.

如圖19 所示,當待測分析物的厚度固定為Ha= 25.3 μm,而折射率以0.1 為間隔從n = 1 增加到n = 1.8 時,該太赫茲超材料吸波器所對應的 折 射 率 頻 率 靈 敏 度 S (f) = 101.5 GHz/RIU,FOM = 6.77,遠高于具有連續(xù)介質(zhì)層和非連續(xù)介質(zhì)層的太赫茲超材料吸波器的折射率頻率靈敏度.對于該太赫茲超材料吸波器來說,待測分析物充當了中間介質(zhì)層,當待測分析物的厚度為Ha=25.3 μm 時,金屬開口諧振環(huán)陣列完全浸沒于待測分析物中,原本局限于中間介質(zhì)層中的諧振電磁場與待測分析物實現(xiàn)了空間上的完全重疊,因此,與前兩種太赫茲超材料吸波器相比,待測分析物作為中間介質(zhì)層實現(xiàn)了與諧振電磁場的最緊密的全接觸,進而大幅提升了其作為傳感器的靈敏度.

圖19 分析物折射率從n = 1 變化到n = 1.8 時具有微腔結(jié)構(gòu)的太赫茲超材料吸波器的諧振頻率偏移及其線性擬合Fig.19.Resonance frequency shifts and linear fitting of THz MM absorber with microcavity structure under analyte refractive index changes from n = 1 to n = 1.8.

表1 分別列舉了具有連續(xù)介質(zhì)層、非連續(xù)介質(zhì)層和微腔結(jié)構(gòu)的太赫茲超材料吸波器的吸收特性參數(shù)及其作為傳感器的傳感特性參數(shù).從表1 可以看出,不斷削弱中間介質(zhì)層對諧振場的局限作用,一方面會降低太赫茲超材料吸波器諧振峰的吸收率、諧振峰半高寬和品質(zhì)因數(shù),但是另一方面會大幅提升太赫茲超材料吸波器作為傳感器的折射率靈敏度和FOM 值.

表1 太赫茲超材料吸波器的參數(shù)對比Table 1.Comparison of parameters of THz MM absorbers.

5 結(jié) 論

本文對基于開口諧振環(huán)陣列的太赫茲超材料吸波器作為傳感器的傳感特性與傳感機理進行了深入的仿真研究.基于連續(xù)介質(zhì)層的太赫茲超材料吸波器的中間介質(zhì)層對諧振電磁場具有強烈的束縛,導致待測分析物與諧振場之間缺乏緊密耦合,從而影響了傳感器的靈敏度和品質(zhì)因數(shù).為了釋放被超材料吸波器中間介質(zhì)層所束縛的諧振場,增強待測分析物與諧振場之間的相互作用,進一步提升傳感器的傳感靈敏度,本文基于開口諧振環(huán)陣列分別提出了具有非連續(xù)介質(zhì)層和微腔結(jié)構(gòu)的兩款太赫茲超材料吸波器.研究發(fā)現(xiàn),雖然介質(zhì)層的不連續(xù)或缺失會在一定程度上影響超材料吸波器的諧振頻率、吸收率、半波帶寬等參數(shù),但是減小介質(zhì)層對諧振場的束縛,降低介質(zhì)層效應,在一定程度上對提高超材料吸波器作為傳感器的傳感特性是十分有效的.與傳統(tǒng)的具有連續(xù)介質(zhì)層的太赫茲超材料吸波器相比,本文所設計的具有非連續(xù)介質(zhì)層和微腔結(jié)構(gòu)的超材料吸波器具有更優(yōu)越的傳感特性,可應用于對待測分析物的高靈敏度、快速檢測.本文的研究為實現(xiàn)超靈敏的太赫茲超材料傳感器開辟了一種新的途徑,也為探索物質(zhì)與太赫茲源之間的相互作用的創(chuàng)造了新平臺,太赫茲超材料在未來的傳感領域必將具有更加廣闊的應用前景.