寬帶太赫茲極化轉換和全金屬光吸收超材料的設計與性能研究.pdf

1、近年來，人工超材料因能通過單元結構設計來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注，并發(fā)展出許多新穎的應用。特別是利用構筑的微納米超材料中激發(fā)的表面等離子體效應，可以實現(xiàn)對太赫茲以及光波不同于尋常光學現(xiàn)象的獨特調控。例如：用效率高、體積小的超材料實現(xiàn)對太赫茲電磁波的高效極化轉化以及對可見光的寬帶吸收，在探測、通信、感應以及光熱、光伏等方面有很好的應用前景。然而，帶寬較窄仍然是目前太赫茲電磁波極化轉化領域的主要問題之一，限制

2、了太赫茲技術的快速發(fā)展；而導熱差制約了可見光吸收超材料的應用范圍。在本文中，我們提出了新穎的具有漸變長邊的葉片型極化轉換超材料和全金屬的吸波超材料，來分別實現(xiàn)對太赫茲電磁波的寬帶高效線極化轉換和對可見光的寬帶吸收產(chǎn)熱，并分析了作用機理。具體的研究內容和成果如下：
　　首先，為突破現(xiàn)有超材料實現(xiàn)電磁波極化轉化的必要條件之一：其反射場在正交方向上的電場分量具有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題，我們提

3、出通過調控超材料的基頻和3倍頻等離子體諧振的頻點間距和線寬，使之實現(xiàn)跨越兩個諧振頻段的連續(xù)π相位差，以滿足寬帶極化轉換條件的方案，并進而設計出具有圓弧長邊的葉片型寬帶、高效太赫茲線極化轉換超材料。研究了葉片結構長短軸、介質厚度和介電常數(shù)等對超材料極化轉換性能的影響規(guī)律，并分析了作用機理。研究發(fā)現(xiàn)當超材料結構的周期單元尺寸為260μm、葉片長邊為圓弧且葉片長短軸為165μm和57μm、介質層厚度為48μm時具有最佳的寬帶線極化轉換性能，此

4、時其沿結構長邊方向電場分量的相位具有相連的兩個弛豫現(xiàn)象，從而使相位在三個頻點處具有標準的π相位差，這優(yōu)于其它形狀超材料只在兩個頻點處具有標準的π相位差。仿真模擬和實測數(shù)據(jù)表明，該極化轉化器在0.55THz～1.15THz頻段極化轉化率優(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)通過對單元尺寸、長短軸尺寸和介質厚度等比例線性縮小，可實現(xiàn)更寬頻段的太赫茲波線極化轉換，具有優(yōu)秀的可移植性。例如：當超材料結構縮小2.6倍，即單元尺寸為

5、100μm時，極化轉化器在1.25～2.75THz頻段內實現(xiàn)0.98左右的高極化轉化率，工作帶寬達到1.5THz。
　　其次，利用Ni金屬的高熔點和高導熱特性，我們設計了全金屬的超材料結構來吸收可見光。全金屬超材料由Ni金屬環(huán)豎立在Ni的金屬薄膜構成。我們研究了超材料結構單元的尺寸、金屬環(huán)的高度以及壁厚等對吸收性能的影響規(guī)律，并在此基礎上優(yōu)化設計出在可見光全波段的吸波率達到95％以上的全金屬超材料，且85%的頻段吸波率達到98%。

6、具體的結構參數(shù)為:結構單元尺寸為300nm，金屬管的內徑和外徑分別為100nm和150nm，金屬管的高度為140nm。其寬帶吸收可以用來源于金屬結構對電磁波的局域等離子體共振作用形成了三個電流損耗回路來解釋。研究還發(fā)現(xiàn)，該全金屬結構超材料具有寬入射角適應特性，即光波入射角在0～50°范圍內，在全可見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)在可見光照射下能輸出216℃的高溫，并且超材料溫度分布均勻、熱應力小，預