寬帶太赫茲極化轉(zhuǎn)換和全金屬光吸收超材料的設(shè)計(jì)與性能研究.pdf

1、近年來(lái)，人工超材料因能通過(guò)單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)獲得在自然材料中不存在的特異電磁性能受到研究者的高度關(guān)注，并發(fā)展出許多新穎的應(yīng)用。特別是利用構(gòu)筑的微納米超材料中激發(fā)的表面等離子體效應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲以及光波不同于尋常光學(xué)現(xiàn)象的獨(dú)特調(diào)控。例如：用效率高、體積小的超材料實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲電磁波的高效極化轉(zhuǎn)化以及對(duì)可見(jiàn)光的寬帶吸收，在探測(cè)、通信、感應(yīng)以及光熱、光伏等方面有很好的應(yīng)用前景。然而，帶寬較窄仍然是目前太赫茲電磁波極化轉(zhuǎn)化領(lǐng)域的主要問(wèn)題之一，限制

2、了太赫茲技術(shù)的快速發(fā)展；而導(dǎo)熱差制約了可見(jiàn)光吸收超材料的應(yīng)用范圍。在本文中，我們提出了新穎的具有漸變長(zhǎng)邊的葉片型極化轉(zhuǎn)換超材料和全金屬的吸波超材料，來(lái)分別實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲電磁波的寬帶高效線極化轉(zhuǎn)換和對(duì)可見(jiàn)光的寬帶吸收產(chǎn)熱，并分析了作用機(jī)理。具體的研究?jī)?nèi)容和成果如下：
　　首先，為突破現(xiàn)有超材料實(shí)現(xiàn)電磁波極化轉(zhuǎn)化的必要條件之一：其反射場(chǎng)在正交方向上的電場(chǎng)分量具有π相位差，受超材料表面等離子體諧振線寬的限制而難于拓展工作帶寬的問(wèn)題，我們提

3、出通過(guò)調(diào)控超材料的基頻和3倍頻等離子體諧振的頻點(diǎn)間距和線寬，使之實(shí)現(xiàn)跨越兩個(gè)諧振頻段的連續(xù)π相位差，以滿足寬帶極化轉(zhuǎn)換條件的方案，并進(jìn)而設(shè)計(jì)出具有圓弧長(zhǎng)邊的葉片型寬帶、高效太赫茲線極化轉(zhuǎn)換超材料。研究了葉片結(jié)構(gòu)長(zhǎng)短軸、介質(zhì)厚度和介電常數(shù)等對(duì)超材料極化轉(zhuǎn)換性能的影響規(guī)律，并分析了作用機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)超材料結(jié)構(gòu)的周期單元尺寸為260μm、葉片長(zhǎng)邊為圓弧且葉片長(zhǎng)短軸為165μm和57μm、介質(zhì)層厚度為48μm時(shí)具有最佳的寬帶線極化轉(zhuǎn)換性能，此

4、時(shí)其沿結(jié)構(gòu)長(zhǎng)邊方向電場(chǎng)分量的相位具有相連的兩個(gè)弛豫現(xiàn)象，從而使相位在三個(gè)頻點(diǎn)處具有標(biāo)準(zhǔn)的π相位差，這優(yōu)于其它形狀超材料只在兩個(gè)頻點(diǎn)處具有標(biāo)準(zhǔn)的π相位差。仿真模擬和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，該極化轉(zhuǎn)化器在0.55THz～1.15THz頻段極化轉(zhuǎn)化率優(yōu)于0.98，并且垂直極化率優(yōu)于0.8。我們研究還發(fā)現(xiàn)通過(guò)對(duì)單元尺寸、長(zhǎng)短軸尺寸和介質(zhì)厚度等比例線性縮小，可實(shí)現(xiàn)更寬頻段的太赫茲波線極化轉(zhuǎn)換，具有優(yōu)秀的可移植性。例如：當(dāng)超材料結(jié)構(gòu)縮小2.6倍，即單元尺寸為

5、100μm時(shí)，極化轉(zhuǎn)化器在1.25～2.75THz頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)0.98左右的高極化轉(zhuǎn)化率，工作帶寬達(dá)到1.5THz。
　　其次，利用Ni金屬的高熔點(diǎn)和高導(dǎo)熱特性，我們?cè)O(shè)計(jì)了全金屬的超材料結(jié)構(gòu)來(lái)吸收可見(jiàn)光。全金屬超材料由Ni金屬環(huán)豎立在Ni的金屬薄膜構(gòu)成。我們研究了超材料結(jié)構(gòu)單元的尺寸、金屬環(huán)的高度以及壁厚等對(duì)吸收性能的影響規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計(jì)出在可見(jiàn)光全波段的吸波率達(dá)到95％以上的全金屬超材料，且85%的頻段吸波率達(dá)到98%。

6、具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)為:結(jié)構(gòu)單元尺寸為300nm，金屬管的內(nèi)徑和外徑分別為100nm和150nm，金屬管的高度為140nm。其寬帶吸收可以用來(lái)源于金屬結(jié)構(gòu)對(duì)電磁波的局域等離子體共振作用形成了三個(gè)電流損耗回路來(lái)解釋。研究還發(fā)現(xiàn)，該全金屬結(jié)構(gòu)超材料具有寬入射角適應(yīng)特性，即光波入射角在0～50°范圍內(nèi)，在全可見(jiàn)光波段的吸波率均在90%以上。最后我們研究了超材料的熱輸出特性，發(fā)現(xiàn)在可見(jiàn)光照射下能輸出216℃的高溫，并且超材料溫度分布均勻、熱應(yīng)力小，預(yù)