多层电磁超材料在太赫兹技术中的应用研究进展.docx
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1、多层电磁超材料在太赫兹技术中的应用争论进展姚建铨;梁兰菊【摘 要】基于电磁超材料的电磁谐振通过合理设计可以实现太赫兹波段的频率响应,为太赫兹波调控开拓了的道路,特别是利用多层电磁超材料设计的太赫兹功能器件.本文综述了当前国内外基于多层电磁超材料在太赫兹波段技术的应用争论进展,分类介绍了其在太赫兹滤波器、吸取器、偏振器等方面的应用,最终对多层超材料在太赫兹技术应用的进展趋势作了探讨.【期刊名称】枣庄学院学报【年(卷),期】2023(030)005【总页数】11 页(P1-11)【关键词】太赫兹;电磁多层超材料;滤波器;吸取器;偏振器【作 者】姚建铨;梁兰菊【作者单位】天津大学周密仪器与光电子工程
2、学院,天津 300072;枣庄学院光电工程学院,枣庄 277160【正文语种】中 文【中图分类】O441;TB340 引言电磁超材料也称为人工电磁材料,是指具有特定几何外形的亚波长宏观根本单元周期性或非周期性地排列所构成的人工材料13.人们可以通过人为地设计单元构造来掌握材料属性,构成自然界不存在的特别构造材料,进而掌握电磁波的传播48.超材料是近年来国际物理与电磁学界的前沿与热点问题,与其相关的科学争论 10 年来已有三次被 Science 杂志评比为年度十大科技突破之一913. 太赫兹波是介于毫米波和红外波之间的相当宽范围内的电磁辐射区域,在物理学、材料科学、医学成像、宽带和保密通讯,尤其
3、是卫星间通讯方面具有重大的应用前景1420.但是长期以来缺乏有效的太赫兹辐射产生和检测方法,以及自然界中很少有材料能够响应当波段,导致太赫兹波段的电磁波未得到充分的争论和富有成效的应用,被称为电磁波谱中的“太赫兹空隙”.特别是缺乏功能化的太赫兹器件,如滤波器、吸取器、开关、偏振器等方面使太赫兹波段无法得到实际应用.电磁超材料,通过合理设计构造单元的尺寸,可以很简洁的掌握在太赫兹波段,从而作为一种太赫兹人工材料被应用于构造太赫兹器件2127.关于超材料大多数是利用磁谐振器(如 SRR 环)和电谐振器(如开口金属线)分别实现负磁导率和负介电常数,通过组成阵列来同时实现“双负”2829.但是,电磁超
4、材料的机理是基于强电磁共振的,因此谐振带宽很窄,只能应用于有限领域,无法大量解决军事和民用方面的需求.如何提高功能器件性能成为科研工作者所寻找的目标,利用有效的方法实现频带的拓展是当前待解决的主要问题之一.为了解决目前存在带宽窄等问题,多层超材料构造或者不同构造的组合实现双频、多频和宽频共振响应,可以实现不同性能的太赫兹功能器件,拓宽太赫兹的应用领域3033.例如,通过多层电磁超材料构造可以拓宽滤波器的带宽,提高边缘陡峭度,固然也可以提高窄带滤波器的 Q 值;通过不同构造尺寸层间相互作用可以拓宽吸取器的带宽;通过多层超材料,可以转变电磁波的传播方向,进而掌握电磁 波的偏振态.因此电磁多层超材料
5、特性无疑将为太赫兹器件进展供给的机遇.本论文主要争论多层电磁超材料在太赫兹波段滤波器、吸取器、偏振器件等方面的应用. 1 多层电磁超材料在太赫兹滤波器方面的应用太赫兹滤波器在通讯、成像、传感等方面有着广泛的应用.特别是超宽带滤波器,可以实现高数据传输,具有宽阔的应用和进展前景.2023 年,梁兰菊等人基于多层柔性超材料宽通带太赫兹滤波器34.设计的构造主要包括隔离层金属隔离层金属隔离层 dielectricmetaldielectricmetaldielectric(DMDMD)五层组成,如图 1 所示.隔离层用柔性聚酰亚胺(polyimide),因其具有较低的介电损耗、良好的柔韧性、稳定和透
6、亮性等方面的突出特点,作为微构造的基底和隔离层已经得到充分的生疏,被称为是解决问题的能手.设计的超材料金属构造主要包括渔网状与方形环阵列组成,包括两层尺寸一样,构造一样的超材料金属构造.图 1 (a)隔离层金属隔离层金属隔离层构造示意图(b)构造参数为ax=ay=132 m,az=120 m,Lp=120 m,Wn=14 m,Wm=10 m, Lm=10 m,Wp=14 m,Ln=56 m,LR=40 m,聚酰亚胺的厚度为 d=40 mFig.1 (a)Schematic of the dielectricmetaldielectricdielectric dielectric metamat
7、erial structure(b)The dimension parameters are, ax=ay=132 m,az=120 m,Lp=120 m,Wn=14 m,Wm=10 m, Lm=10 m,Wp=14 m,Ln=56 m,LR=40 m,and the thickness of the polyimide isd=40m图 2(a)为 DMDMD 构造的太赫兹传输特性,结果说明,3dB 带宽范围从 0.5 到0.97 THz,大约为 0.47 THz,锋利边过渡转变分别为 80dB/THz 与 96dB/THz, 通带的波浪小于 1dB,相对中心频率为 63.95%.为进一步争
8、论该太赫兹滤波器的传输特性,该多层超材料金属构造的互补构造的传输特性也进展了争论,如图 2(b) 所示,觉察在 0.50.97 THz 左右有一个宽的阻带.因此,这种多层柔性超材料构造以及它的互补构造可以实现高性能的超宽通带与阻带太赫兹滤波器.为实现太赫 兹滤波器供给了一种方法.图 2 (a)基于 DMDMD 构造的超宽带太赫兹滤波器的传输谱(b)太赫兹滤波器的传输谱(红色线)与互补构造的传输谱(黑色线)Fig.2 (a)Transmission spectrum of the broadband THz bandpass filter based on the DMDMD structure
9、(b)The transmission spectra(red solid lines)and with its complementary this structure(black solid lines).2023 年,Xueqian Zhang35等人设计了鱼鳞外形的两层超材料构造宽通带滤波器,超材料构造示意图如图 3 所示,基底为高阻硅,两层超材料方向为垂直放置,用 20 微米的聚酰亚胺隔离.图 4 为测量与模拟的太赫兹传输谱线,从图中可知,测量的 3dB 范围为 0.521.65 THz 之间,带宽约为 1.13 THz,锋利边过渡转变为 50dB/THz,通带的波浪小于 1dB.该
10、宽通带滤波器产生的机理主要是由于两层超材料之间的相互耦合作用.测量传输曲线与模拟传输曲线符合的很好,实现了宽通带滤波器的效果.图 3 (a)鱼鳞超材料构造三维单元构造示意图(b)Z 轴方向超材料构造示意图 Fig.3 (Color online)(a)Threedimensional schematic of the unit cell of the BFM(b)View of the BFM from the z axis.图 4 (a)测量的太赫兹传输曲线(b)模拟太赫兹传输曲线 Fig.4 (a)Measured spectra of spectra oft()for all three
11、 BFMs(b)Corresponding simulated spectra.2023 年,N.R.Han 争论了不同尺寸 SRR 环构成多层超材料的传输特性36.多层超材料构造示意图如图 5 所示,每一层超材料制作在 100 m 的 polyethylene naphthalate(PEN)薄膜上边,该多层超材料构造共 5 层.从图 6 传输曲线可知,通过堆叠不同单独频率响应的二维超材料,得到半高全宽(FWHM)约为 0.38 THz 共振响应,带宽比利用单层超材料约增加 4.2 倍.并且阻带抑制低于 30dB,这比单层超材料的阻带抑制低得多.该滤波器锋利边过渡转变超过 100dB/THz
12、.此优良的传输特性对做太赫兹宽阻带滤波器供给了一种有效的途径.图 5 (a)多层超材料构造示意图(b)柔性 PEN 薄膜照片,说明可以制作在非平面太赫兹器件(c)多层超材料构造示意图 Fig.5 (a)Multilayer metamaterials stacking illustration(b)photograph of the flexible PEN film,indicating its potential for implanting nonplanar THz devices,And(c)photograph of the multilayer metamaterials.图 6
13、 多层整体超材料和每一单层超材料传输曲线 Fig.6 Transmission spectra of the overall multilayer metamaterials and the corresponding single layer metamaterials.为了进一步争论多层超材料在太赫兹波段的传输特性,对于由一样尺寸组成的DSRR 环梁兰菊等人进展了争论37,五层超材料构造示意图如图 7(a)所示, DSRR 环层与层之间用厚度 h=15m 聚酰亚胺隔离,当入射电磁波电场方向与谐振环狭缝垂直时如图 7(b)所示,消灭了多个谐振谷,吸取强度随着层数的增加而急速增加,当超材料的层
14、数从 1 层增加到五层时,在谐振频率 0.80 THz 处,谐振谷从17dB 变化到44dB.因此,一样尺寸,一样构造的多层超材料可以制成窄带滤波器.图 7 (a)多层 DSRR 超材料示意图(一样尺寸构成)(b)太赫兹波在多层超材料传输曲线(层数为 1,3,5),电场方向垂直狭缝 Fig.7 (a)Scheme of the structure of the multilayer DSRR metamaterials(composed with the same size)(b)Transmission spectra of THz wave in multilayer metamateri
15、alswith 1,3 and 5 layersrespectively,the electric field is aligned vertical to the gap bearing side因此,通过国内外专家争论可知,对于多层电磁超材可以制作性能优良的太赫兹宽通带滤波器,也可以制作谐振很强的窄带滤波器.利用一样构造不同尺寸的多层超材料,可以提高滤波器带宽,利用一样构造一样尺寸的多层超材料,可以提高谐振器的强度,提高滤波器的 Q 值.多层电磁超材料为太赫兹技术的进展供给了格外有效的方法.2 多层电磁超材料在太赫兹吸取器方面的应用一般状况下,利用单层电磁超材料设计吸波器的带宽比较窄,相对
16、于中心工作频率小于 10%.这种窄带吸取特性限制了人工吸波材料在器件中的广泛运用.而对于宽频带吸取器,在吸波、隐身、以及能量转换等方面更有使用的价值.因此太赫兹宽带吸取器的争论越来越引起人们的兴趣.2023 年,叶余千等人设计了三层电磁超材料太赫兹宽带吸取器38,构造示意图如图 8 所示,为了拓宽吸取器的带宽,设计的每层金属线长度 L 略微不同,各层中的共振频率就会彼此靠近.优化每层聚合物的厚度,使得人工吸波构造的阻抗都能同自由空间的阻抗相匹配,从而实现宽带且近乎完善的吸波.从图 9 可以看出, 得到了一个相对较宽的吸取带,频率范围为(4.45 THz4.95 THz),其吸取率到达 为 97
17、%以上,相对中心的吸取带宽到达了 27%.而且,三层构造的总厚度不到入射 波长的 1/15.因此利用不同超材料构造参数可以实现宽带吸取,拓宽太赫兹技术的应用范围.图 8 三层金属十字构造超材料吸取器的示意图以及相应的几何参数 Fig.8 Schematic diagram of a 3layer cross structure with the geometrical parameters of each layer marked on it.图 9 (a)一层,(b)两层,(c)三层金属十字构造所对应的吸取谱曲线 Fig.9 Absorption spectra for(a)1layer c
18、ross structure(b)2layer cross structure(c)3layer cross structure.图 10 (a)三层超材料吸取器平面图(B)完整的器件横截面图(C)九单位多层超材料吸取器 SEM 图(D)单个超宽带吸取器 SEM 图像 Fig.10 (a)Plan view of the threelayer MM absorber and(b)cross section of the complete devive(c)SEMimage of nine unit cells of the multilayer absorber and(d)SEMimage
19、of a single superpixel broadband absorber.2023 年,James Grant 等人同样利用不同尺寸的三层电磁超材料构造实现了太赫兹宽带吸取器39.超材料构造示意图如下图 10 所示,为了得到宽带吸取效果 同样设计每层的金属线长度 L 略微不同,三个靠近的共振峰组合形成一个宽带吸取谱.从图 11 可以看出,得到了一个相对较宽的吸取带,超过 60%的吸取率的带宽为 1.86 THz,半高带宽相对中心频率为 48%,为单层相对中心带宽的 2.5 倍.图 11 (a)多层超材料的试验与模拟曲线以及每一层的吸取曲线的试验结果(b)超宽带吸取器的吸取光谱 Fig
20、.11 (a)Experimental and simulated(FDTD)data of the multilayer absorber.Also plotted is the experimental absorption spectrum for a single layer absorber.(b)Absorption spectra for the superpixel broadband absorber.3 多层电磁超材料在太赫兹偏振器方面的应用太赫兹偏振器是太赫兹通信、雷达的必要器件.一般状况下,平面超材料不能实现正入射线偏振电磁波的不对称透射,实现电磁波的偏振转换,必需通过
21、多层手性超材料来实现.2023 年,洛斯阿拉莫斯国家试验室,利用多层电磁超材料争论出超薄、平面、轻量级和宽带极化光子器件40,该器件使其在太赫兹频率的应用成为可能,将提高安全检查系统,红外摄像机,能量收集和雷达系统.设计的宽带偏振器件如图 12 所示,单元偏振器件主要为线阵列和光栅组成,中间用聚酰亚胺隔离,线阵列和光栅之间的距离为 33 微米.从图 13 看出,这种器件的线性偏振超过 90%,有效的转换效率超过 50%为 0.521.82 THz 频率之间,在1.04 THz 出,转换效率到达 80%以上,并且该偏振器的插入损耗特别低.图 12 透射宽带偏振转换(a)超材料线性偏振单元构造示意
22、图,垂直入射的 x偏振光转换成 y偏振光(b)穿插极化的传输谱线,分别为试验、模拟以及理论计算结果以及反射穿插极化的模拟曲线.Fig.12 Broadband polarization conversion in transmission(a)Schematic of the unit cellof the metamaterial linear polarization converter,in which a normally incident xpolarized wave is converted into a ypolarized one(b)Crosspolarized trans
23、mittance obtained through experimental measurements,numerical simulations, and theoreticalcalculations.Also shown is the numerically simulated copolarized reflectance.2023 年,YiJu Chiang 等人利用多层电磁超材料实现了极化偏转41.设计的偏振器为超薄极化偏转谐振器,构造示意图如图 13 所示,单元构造为一对非对称的开口环谐振器和一个 S 外形谐振器组成,他们之间用 50 微米厚的 Teijin Tetoron po
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- 多层 电磁 材料 赫兹 技术 中的 应用 研究进展
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