基于双层格栅的超材料太赫兹宽频反射器 
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1 引言
太赫兹(THz)波是指频率在0.1~10 THz范围内的电磁波[1],其频率位于人类还没有完全认识并利用的微观量子理论和宏观经典理论之间的过渡区域[2]。太赫兹波有很多优于其他电磁波的特性,比如透射能力强[3]、频率范围极宽[4]、信噪比很高[5]、单光子能量低[6]等,自21世纪以来其被广泛运用到物体成像[7]、宇宙探测[8]、医疗诊断[9]、移动通信[10]等各种领域。因此,为了更好地产生和利用太赫兹波,科学家们设计了许多可以调控太赫兹波的功能器件,到目前为止有太赫兹天线[11]、太赫兹吸波器[12-14]、太赫兹探测器[15],还有太赫兹通信系统[16]中专门用于隔离[17]和调控[18]太赫兹波的太赫兹反射器。太赫兹反射器还被大量应用在太赫兹光源、太赫兹检测器等一系列元件中,因此具有高宽带的太赫兹反射器具有重要的实际研究意义和应用潜力。
目前,主要是基于金属薄膜法[19]、氧化物薄膜法[20]、一维亚波长光栅法[21]和一维光子晶体法[22]进行太赫兹反射器的设计和制备,且己经取得了许多研究成果。2008年,张戎等[23]利用一维光子晶体,在亚太赫兹波段实现了全角度下95%的反射率和0.25 THz的反射带宽;2013年,Lai等[24] 利用通过在氧化锌薄膜内掺入铝制作的反射器在太赫兹波段实现了97%的反射率;2014年,Lai等[25]研制出一种基于二氧化钒的薄膜太赫兹反射器,其反射频带在0.1~2.5 THz范围内,反射率可达85%。2016年,陶智勇等[26]提出了一种类波导结构的太赫兹反射器,工作频带在0.7~1.48 THz范围内,反射率达0.98。2018年,Zhao等[27]设计了一种光激发可切换太赫兹宽频反射器,可以在0.7~1.0 THz范围内实现95%以上的反射率;2019年,谢靖文等[28]使用全介质太赫兹反射器在1.1~2.0 THz范围内实现了99%以上的反射率。然而,上述介绍的太赫兹反射器大多数对入射角度有极高的要求,设计较为复杂,且反射频段带宽和反射率无法同时达到最优。
其中的一维亚波长光栅法和一维光子晶体法制备的反射器因介质及晶体结构,其太赫兹性能受入射电磁波偏振影响较大,即大多数结构只能在单一偏振态下获得高反射率。而传统金属薄膜法制作的反射器虽然可在超宽的工作频带下实现超高的反射率,但是反射相位信息较为单一,使其无法在高灵敏识别、高精度信息探测及太赫兹成像等方面得到实际的应用。
本文提出了一种基于超材料的由上下两层格栅金属和中间层聚酰亚胺薄膜组成的太赫兹宽频反射器。其采用电磁谐振结构和格栅状的金属结构,不依赖于材料本身的属性,只要几何结构形状和尺寸合适,就可对电磁波进行调控,且可在不同偏振态下激发出磁共振和电共振现象。通过设计双层结构增加了反射器的反射率,与以往太赫兹反射器相比,具备宽频段下的高反射率特征。以时域有限差分法(FDTD)为基础探讨了不同格栅形超材料尺寸对太赫兹反射器反射性能的影响,并分析了太赫兹波入射偏振态、入射角度的改变对太赫兹宽频反射器反射性能的影响。
2 反射器模型的设计
本文设计了一种采用双层格栅金属的超材料太赫兹宽频反射器,其结构如
表 1. 格栅形超材料反射器的结构参数
Table 1. Structural parameters of grid-shaped metamaterial reflector
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图 1. 采用双层格栅金属的超材料太赫兹宽频反射器。(a)结构示意图;(b)正视图
Fig. 1. Metamaterial terahertz broadband reflector with double grid metal. (a) Structure diagram; (b) its front view
双层格栅形超材料反射器的各项结构参数如
图 2. 双层格栅形超材料太赫兹反射器的S11、S21曲线。(a) TM偏振态;(b) TE偏振态
Fig. 2. S11、S21 curves of double layer grid-shaped metamaterial terahertz reflector. (a) TM polarization state; (b) TE polarization state
为了进一步了解该超材料反射器具有宽频带、高反射率的原因,以TE偏振态为例,通过使用CST电磁仿真软件获得了该反射器的表面电流图,如
图 3. TE偏振态下双层格栅形超材料反射器表面电流分布图
Fig. 3. Surface current distribution of double-layer grid-shaped metamaterial reflector in TE polarization state
3 反射器的数值分析与讨论
3.1 金属层数对格栅形超材料太赫兹反射器性能的影响
通过对格栅形超材料太赫兹反射器的基本几何结构进行仿真模拟,发现:这种双层格栅形超材料太赫兹反射器的反射效果相比以往的太赫兹反射器已经有了明显改善,且反射率可达0.98以上。接下来,为了能够更好地挖掘其反射性能,对采用双层和单层金属结构的超材料太赫兹反射器的反射性能进行了仿真模拟与对比,如
图 4. 不同偏振态下的S11频谱图模拟结果。(a) TM偏振;(b) TE偏振
Fig. 4. Simulation results of S11 spectra in different polarization states. (a) TM polarization state; (b) TE polarization state
在TE偏振态下,仿真单层和双层格栅形超材料反射器的表面电流图,如
图 5. TE偏振态下超材料反射器的表面电流图。(a)单层格栅形超材料反射器;(b)双层格栅形超材料反射器
Fig. 5. Surface current diagrams of metamaterial reflector in TE polarization state. (a) Single-layer grid-shaped metamaterial reflector; (b) double-layer grid-shaped metamaterial reflector
图 6. TE偏振态下超材料反射器的反射电场图。(a)单层格栅形超材料反射器;(b)双层格栅形超材料反射器
Fig. 6. Reflected electric field diagrams of metamaterial reflector in TE polarization state. (a) Single-layer grid-shaped metamaterial reflector; (b) double-layer grid-shaped metamaterial reflector
经过以上结果分析,可以看出:金属片层数对太赫兹反射器的性能有明显的影响,为了继续挖掘不同金属片层数的超材料反射器的反射效果,在TE偏振态下,将金属片层数分别改变为1、2、4、6、8、10,并对其反射性能进行对比与分析,结果如
图 7. TE偏振下不同金属层数对S11的影响
Fig. 7. Effect of different metal layers on S11in TE polarization state
3.2 中间层厚度对太赫兹反射器性能的影响
此外,改变格栅形超材料太赫兹反射器结构的方法有很多,本文通过有限差分法对不同聚酰亚胺厚度的格栅形超材料太赫兹反射器的反射性能进行仿真验证,结果如
图 8. 不同偏振态下,S11随中间层厚度的变化曲线。(a) TM偏振;(b) TE偏振
Fig. 8. S11 versus thickness of intermediate layer in different polarization states. (a) TM polarization state; (b) TE polarization state
3.3 格栅周期长度对太赫兹反射器反射性能的影响
下面讨论太赫兹反射器的反射性能随格栅周期长度的变化,设置格栅周期长度p分别为48,50,52,54,56 μm,对应的TM和TE偏振态下的反射系数曲线如
图 9. 不同偏振态下,S11随格栅周期长度的变化曲线。(a) TM偏振;(b) TE偏振
Fig. 9. S11 versus length of grid period in different polarization states. (a) TM polarization state; (b) TE polarization state
3.4 格栅宽度对太赫兹反射器反射性能的影响
为了更加了解格栅形超材料太赫兹反射器的不同结构参数对高反射频段的影响,下面通过改变格栅宽度来分析不同格栅宽度对太赫兹反射器反射性能的影响,设置格栅宽度g分别为2.5,5.5,8.5,11.5,14.5 μm,所得到的TM和TE偏振态下的反射系数频谱如
图 10. 不同偏振态下,S11随格栅宽度的变化曲线。(a) TM偏振;(b) TE偏振
Fig. 10. S11 versus grid width in different polarization states. (a) TM polarization state; (b) TE polarization state
3.5 格栅长度对太赫兹反射器反射性能的影响
本小节将分析不同格栅长度对太赫兹反射器反射性能的影响,设置格栅长度m分别为2,6,10,14,18 μm,所得到的TE偏振态下的反射系数频谱如
图 11. TE偏振下改变格栅长度对S11的影响
Fig. 11. Effect of changing grid length on S11 in TE polarization state
3.6 入射角度对太赫兹反射器反射性能的影响
以上各项反射性能结果都是基于太赫兹波正入射于反射器表面,为了进一步分析其应用价值,改变太赫兹波对于反射器表面的入射角,讨论不同偏振态下入射角与反射器反射性能的联系。如
图 12. TE偏振下入射角对S11的影响
Fig. 12. Influence of incident angle on S11 in TE polarization state
图 13. TM偏振下改变入射角角度对S11的影响
Fig. 13. Influence of incident angle on S11 in TM polarization state
根据以上结果,为了使反射器的反射效果在不同偏振态下都能达到理想的范围,本文将太赫兹波的入射角度设定在0°~15°,该结构参数下反射器可以保持较宽的高反射率频段。
对已有成果和本文所得结果进行了对比,如
表 2. 太赫兹反射器研究成果
Table 2. Terahertz reflector research results
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4 结论
本文设计了一个基于超材料的格栅形太赫兹反射器。通过分析聚酰亚胺中间层厚度、金属层数、格栅周期长度、格栅宽度等几何参数对反射率及反射带宽的影响,得到了反射带宽是现有反射器两倍的太赫兹反射器,且反射率可高达0.98以上。此外,还分析了不同偏振态下不同入射角度对该反射器性能的影响,得到在TM和TE偏振下0°~15°的入射角度范围内,该太赫兹反射器仍可具备宽反射带宽、高反射率且较丰富的相位信息等性能,在高灵敏识别、搜集入射信息、高精度信息探测及太赫兹成像等方面具有一定的应用价值。
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王建扬, 吴倩楠. 基于双层格栅的超材料太赫兹宽频反射器[J]. 中国激光, 2020, 47(6): 0614002. Wang Jianyang, Wu Qiannan. Metamaterial Terahertz Broadband Reflector with Double-Layer Grid[J]. Chinese Journal of Lasers, 2020, 47(6): 0614002.
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