超材料的应用探讨

通过调整超材料单元结构的几何参数,就可以调整超材料的磁导率、电导率、介电常数等物理特性,为各种新型功能器件的实现带来了曙光。同时,随着微细加工技术的飞速发展,超材料所能应用的频段范围得到进一步的扩充,这给超材料的应用提供了更多可能。超材料的应用涉及微波器件、太赫兹器件、电磁隐身、传感器和天线等多个领域。

(1)微波器件

传统微波器件的大小和介质厚度与入射电磁波的波长直接相关,一般是1/2或1/4波长,而超材料对电磁波的吸收取决于该结构对电磁波的电响应和磁响应,这就导致吸收特定频段电磁波的超材料的尺寸可以比1/4波长小很多。因此可以制作结构紧凑的器件,这大大地减小了器件的体积,同时改善了电路的频带宽度、增益等性能[30-31]。

(2)太赫兹器件

在太赫兹系统中,现有的光器件和电器件都不适用。适用于太赫兹波段的功能器件的缺乏是太赫兹技术面临的主要问题,也是阻碍太赫兹技术发展的瓶颈。对于超材料来说,通过改变其单元谐振结构、尺寸及组成成分就可以实现所需要的电磁参数,所以基于超材料、通过人工方法来制备太赫兹器件是解决太赫兹瓶颈的一个途径。如今,随着微结构制造工艺的不断发展,在太赫兹波段的超材料器件的制备方面已经取得了较大进展,现在已经出现了基于超材料的各种各样的太赫兹器件[32-33],如太赫兹滤波器、太赫兹吸波器、太赫兹调制器等。

(3)电磁隐身[34-35](https://www.xing528.com)

超材料隐身技术可以分为两大类,一类是吸波隐身,另一类是透波隐身。超材料吸波隐身技术通过设计超材料使其对电磁波表现强烈的吸收特性,制备出具有强吸波效应的吸收剂,还可以与传统吸波材料复合制备出新型复合吸波材料,使材料满足微波隐身“薄、轻、宽、强”的要求,利用超材料吸波层与自由空间的阻抗匹配,大幅度减小反射波强度,进而达到隐身的效果。与传统隐身技术相比,超材料透波隐身的特点是靠引导电磁波,而不是靠吸收电磁波,因此,它没有目标影子,是国防军工领域的一项颠覆性技术,得到了各国军工界的广泛重视。

(4)传感器

超材料传感器作为一种新型的检测手段,能够突破传统传感器的分辨率极限,实行无标记检测[36-37]。目前太赫兹波段生物传感器的研究已经引起了人们的广泛关注。超材料传感器有以下几个优点:样品用量少,灵敏度高;无须加入其他试剂,可无标记检测;响应快,测量简单。

(5)天线

天线是超材料应用较为成功的一类器件。利用超材料超常的电磁性质和高度可设计的特点,人们成功地开发出了多种具有高性能、能满足各种特殊要求的天线,实现了天线的小型化、高效、高增益、共型化、高信号选择等特性[38-39]。