可调太赫兹超材料吸波器研究进展与展望

吸波材料是一种可以对入射电磁波进行高效吸收或使其大幅减弱的材料,利用多种不同的损耗机制,电磁波被转化为热能或者其他形式的能量并逐渐消散,最终实现吸波的效果。在各式各样的吸波材料中,基于超材料的吸波结构近年来得到了人们的广泛关注。与常规吸波材料相比,超材料吸波器具有吸收强、厚度薄、质量轻等优点,并且可以“量需定制”,通过改变超材料的结构来实现所需要的电磁特性,大大地增加了吸波器设计的灵活性[1]。因此,超材料吸波器可以被广泛地应用于传感、雷达、成像等多个领域,其可以有效地提升太赫兹功能器件的灵敏度。

超材料吸波器最早是由N.I.Landy[2]等在2008年提出的一种三层吸波结构,最上层是双开口谐振环,中间是一层介质,最下层是金属条。当电磁波垂直入射到结构表面时,顶层与底层的金属结构会产生电响应,同时分布于其上的反向平行电流产生了磁响应(即洛伦兹响应),在两种响应的混合作用下,结构与电磁波发生强烈的耦合效应,实现了极强的吸波效果,吸收峰值达到了96%。随后,H.Tao[3]等简化了制造工艺,使用金属板代替金属条,设计了一种基于开口谐振结构的超材料吸波器。该结构在TE、TM两种极化模式下都能够实现宽角度的近完美吸收效果,吸收效率高达99.9%。在此后很长的一段时间里,“金属-介质-金属”形式的三层模型成了设计超材料吸波器的普遍思路。

然而,传统超材料吸波器往往只能工作在某个确定的频率下,如果有其他频率的吸波需求,则需要重新进行设计和加工,既增加了成本,又带来了很大不便。可调超材料吸波器是近年来新兴的研究方向,即不改变吸波器本身的结构,而是利用组成材料的可调性质来改变其电磁特性,从而影响整个结构的吸波效果。常见的可调材料有石墨烯、液晶和二氧化钒等。目前,相关研究已取得了很大进展。

2017年E.S.Torabi[4]等提出了一种宽带可调的太赫兹超材料吸波器,通过改变顶层金属块和石墨烯块的排布,可以形成多种棋盘状的图案,从而获得不同的宽带吸收效果。2017年,K.Arik[5]等展示了一种极化不敏感的可调超宽带超材料吸波器,其超过90%吸收的相对带宽达到了100%。2018年Xu[6]等利用介质和不同尺寸的石墨烯带,设计了一种多层吸波结构,该结构可以在3～7.8 THz的频率范围内实现超过90%的超宽带吸收效果,通过控制外加电压,可使吸波器在“开”和“关”两种状态之间快速切换。2017年,Chen[7]等提出的可调单频段超材料吸波器,可以在2.71 THz处实现99.51%的吸波效果。此外,重复叠加“石墨烯-介质”结构能够使吸波器同时工作在两个频率下,达到双频段吸波的效果。2017年,Wang[8]等将石墨烯与液晶组合起来,提出了一种高效率的可调超材料吸波器,通过改变外加电压,该结构可以在同一个频率处的调幅度变化超过80%。2018年Wang[9]等设计了一种基于液晶的三频段完美吸波器,当液晶的折射率发生变化时,吸波器的谐振频率也会发生连续的线性改变,并且吸收峰值始终维持在99%以上。2018年,Song[10]等借助二氧化钒的相变特性,设计了一种可开关的太赫兹宽带超材料吸波器,调节温度能够大幅改变吸收幅值,调制深度超过60%,实现了吸波效果的动态开关。2019年,笔者提出了金属贴片-介质-二氧化钒底板的三层结构太赫兹吸波器[11],该吸波器可在“开启”(吸收值＞89.7%)和“关闭”(吸收值＜27%)两种状态之间自由切换,对顶层金属贴片的排布方式“不敏感”,在不同排列下均能实现较好的宽带吸收效果。(www.xing528.com)

鉴于石墨烯的可调特性,本章首先提出了两种类型的可调宽带超材料吸波器,一种是单频段宽带结构[12],另一种是双频段宽带结构[13],并分别对其进行了理论分析和仿真模拟。其中,单频段宽带吸波器的特色在于石墨烯图案是一个相连的整体,与常见的石墨烯吸波器相比,这种相连结构有利于外加电压对吸波器的调控。双频段宽带吸波器则是由介质谐振单元-石墨烯-介质-金属构成的四层结构,兼具宽带吸收和双频段吸收特性,中间的石墨烯采用单层无图形结构,不但便于灵活调节,而且减小了其加工难度。这两种吸波器均采用对称设计,具有极化不敏感和宽角度的吸收特性,能够满足多种应用场景下的灵活吸波需求,在传感、雷达、隐形技术等领域具有广泛的应用价值。

其次,本章还提出了一种太赫兹波段的宽角度吸波器[14],并进行了仿真分析与实验验证。与太赫兹波段传统的加工方式不同,该结构使用印制电路板技术制作,具有低成本、高效率和大面积批量加工的优点。利用太赫兹矢量网络分析系统,可以直接得到样品在不同入射角度下的吸收性能。测试结果与仿真结果具有较高的吻合度,验证了结构的可行性与实用性。