電磁超材料吸收器在太赫茲波段的研究進(jìn)展

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1、2013年10月棗莊學(xué)院學(xué)報(bào)Oct．2013第30卷第5期JOUＲNALOFZAOZHUANGUNIVEＲSITYVol．30NO．5電磁超材料吸收器在太赫茲波段的研究進(jìn)展1112丁春峰，續(xù)宗成，張雅婷，閆昕（1．天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院，天津300072；2．棗莊學(xué)院光電工程學(xué)院，山東棗莊277160）〔摘要〕基于電磁超材料的太赫茲吸收器通過合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸和材料參數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)近完美吸收，因而受到學(xué)術(shù)界的關(guān)注，近幾年對(duì)太赫茲吸收器的研究發(fā)展很快．本文綜述了基于電磁超材料的太赫茲吸收器的研究進(jìn)展，分別從理論、

2、結(jié)構(gòu)和性能對(duì)太赫茲吸收器的研究進(jìn)行了介紹，最后對(duì)太赫茲吸收器的未來發(fā)展和待解決的問題進(jìn)行了探討．〔關(guān)鍵詞〕太赫茲波；電磁超材料；吸收器；進(jìn)展①〔中圖分類號(hào)〕0441TB34〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕A〔文章編號(hào)〕1004－7077（2013）05－0012－070引言〔1〕電磁超材料（metamaterials）是一種異于天然的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料，具有諸〔2〕〔3〕〔4〕〔5〕如負(fù)折射效應(yīng)、反常Doppler效應(yīng)、反常Cherenkov效應(yīng)、完美透鏡等超常物理特性．鑒于超材料所表現(xiàn)出的奇妙性質(zhì)，利用超材料來實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的高

3、吸收，近年來也受到廣泛關(guān)注．從理論上講，通過對(duì)特殊結(jié)構(gòu)模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)ε和μ的完美匹配，使電磁超材料吸收器與自由空間達(dá)到良好的阻抗匹配，以降低電磁波的反射；另外，激勵(lì)ε和μ的諧振，使電磁波的透射很低，這樣，將能實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的高吸收．2008年，Landy〔6〕〔7〕等和Tao等分別在微波和太赫茲波段設(shè)計(jì)出基于電磁諧振的完美”“超材料吸波體．〔8〕〔9〕隨后，研究人員又設(shè)計(jì)出極化不敏感和寬入射角的超材料吸波體．自此以后，太赫茲領(lǐng)域的超材料吸收器開始引起研究人員的關(guān)注，多種類型的太赫茲吸收器相繼出現(xiàn)．電〔10〕〔1

4、1〕磁超材料吸收器的潛在應(yīng)用包括測(cè)輻射熱儀，電磁隱身，熱發(fā)射以及傳感等領(lǐng)域．本文綜述了當(dāng)前基于電磁超材料的吸收器在THz波段的研究最新進(jìn)展，分類介紹了不同功能超材料吸收器的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)，電磁超材料吸收器在太赫茲波段的發(fā)展趨勢(shì)和要解決的問題進(jìn)行探討．1電磁超材料吸收器的理論進(jìn)展對(duì)于一種給定的吸波材料，其吸波特性由傳輸率T（ω）和反射率Ｒ（ω）決定，即吸收率A（ω）可由下式表示：A（ω）1－T（ω）－Ｒ（ω）（1）如果在一定條件下，則能夠使T（ω）和Ｒ（ω）同時(shí)等于0或接近0，A（ω）≈1，即實(shí)現(xiàn)了近完美吸收．關(guān)于如何實(shí)

5、現(xiàn)完美吸收，目前有兩種理論．1．1阻抗匹配理論該理論認(rèn)為，吸波材料要實(shí)現(xiàn)高吸收率，必須滿足兩個(gè)條件：1）吸波材料阻抗必須①〔收稿日期〕2013－09－10〔基金項(xiàng)目〕國(guó)家自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號(hào)：61271066）；山東省2013科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2013GGA04021）；山東省2013年高等學(xué)?？萍加?jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：J13LN07）．〔作者簡(jiǎn)介〕張雅婷（1983－），天津人，女，天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院講師，理學(xué)博士，主要從事納米光電子學(xué)方向的研究．12丁春峰，續(xù)宗成，張雅婷，閆昕電磁超材料吸

6、收器在太赫茲波段的研究進(jìn)展盡量與自由空間阻抗數(shù)相匹配，以便能夠使入射的電磁波最大限度地進(jìn)入材料內(nèi)部，即吸波器的阻抗Z要等于真空的阻抗Z0．2）吸波材料應(yīng)該具備較大的電磁波衰減特性，以便使進(jìn)入材料內(nèi)部的電磁波最大限度地被損耗掉．由于槡ω）μ（ω），ω）槡ω）/ε（ω）n（ω）ε（Z（μ（（2）quotquot其中ε（ω）ε（ω）iε（ω），ω）μ（ω）iμ（ω）．要滿足條件1，μ（要求ε（ω）quotμ（ω），ω）ε（μ（ω）quot．對(duì)于厚度為d的介質(zhì)材料，要滿足條件2，其實(shí)質(zhì)是要求T（ω）quotkd〔12〕0，

7、因?yàn)門t2e－2n，其中t為透射系數(shù)，quot由（即要求n必須足夠大，2）式可得nquotquot≈εμquot，即要求電磁超材料吸收器的虛部必須足夠大．電磁超材料可以通過對(duì)幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)與頻率相關(guān)的電磁本構(gòu)參數(shù)ε（ω）和μ（ω），滿足吸波材料設(shè)計(jì)的兩個(gè)條件，從而可以制作成吸波材料．1．2干涉相消理論2012年Hou－tongChen提出了太赫茲超材料吸收器的干涉相消理論〔13〕，該理論工作原理如圖1所示，太赫茲波在空氣－金屬結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行反射和透射，其中，透射部分經(jīng)過底部金屬反射層反射后再次回到空氣－金屬結(jié)構(gòu)表

8、面發(fā)生反射和透射，其中一部分太赫茲波透射到空氣中，如果該部分透射波和最初的反射波滿足干涉相消條件，則可得Ｒ（ω）0，又因?yàn)槲掌鞯讓哟嬖诮饘賹樱訲（ω）0，因此，根據(jù)公式（1）可知A（ω）1，吸收器實(shí)現(xiàn)完美吸收．圖1干涉相消原理圖Fig．1Multiplereflectionsandinterferencemodelofthemetamaterialab