基于层叠结构的双波段太赫兹超材料增透膜设计 下载: 1016次
1 引言
太赫兹波指介于0.1~10 THz频率范围的电磁波,其频谱介于无线电波和红外光之间[1]。近年来,随着太赫兹辐射产生和探测技术的发展,对太赫兹功能器件的需求逐步增多,深入研究太赫兹功能器件,实现对太赫兹波的有效控制,已成为当今国际太赫兹学术界公认的前沿性基础研究方向。太赫兹功能器件多以硅为基底,然而硅基的高折射率使得电磁波在入射至空气与硅基界面时,会产生严重的反射现象,进而影响耦合效率,因此需在硅基上敷一层性能良好的增透膜,以降低反射。
太赫兹增透膜的工作原理是克服两种介质固有阻抗间的不匹配[2-3]。2009年,Chen等[4]提出可通过制作浮雕结构来降低反射,他们在硅中刻蚀不同密度的空气柱,以此来调节空气与硅的比率,达到了阻抗匹配的要求,降低了反射。2014年,Zhou等[5]提出利用石墨烯来制作太赫兹增透膜,石墨烯的阻抗值会随着堆叠层数而变化,当堆叠石墨烯的阻抗值与空气和硅的阻抗值相匹配时,即可达到降低反射的效果。上述两种方法虽然都能有效降低各自结构的反射,但均对制作精度的要求较为苛刻。超材料具有很高的结构设计灵活性,可为其在增透膜领域的应用提供解决方案。
超材料是一种由亚波长微结构单元通过阵列排布组成的特殊人工材料或人工结构,具有天然材料所不具备的超常物理性质[6]。可以通过设计各种各样的结构来获得所需的电磁性能,进而实现不同的功能,如偏振调控[7]、电磁诱导透明[8]、吸波[9]等。2010年,Chen等[10]提出的基于金属-聚合物的超材料结构,能于1.2 THz处实现反射率低至0.32%的增透效果。该超材料采用平面结构,制作简单,可通过调节聚合物的厚度来控制反射率。但是,此结构只可以实现单一频率的超低反射。而在实际应用中,往往存在多波段同时要求低反射的情况。
基于此,本文提出了一种基于层叠结构的双波段太赫兹超材料增透膜,并理论分析了该增透膜反射降低的原因。首先利用CST Microwave Studio仿真得到该结构的反射系数与透射系数,并与裸硅的对应系数进行对比分析;而后通过仿真计算得到两层金属-聚合物结构金属表面的电场分布,分析两个反射低谷的形成机理。在此基础上,进一步研究所设计的增透膜结构中聚合物的厚度、金属的几何尺寸对反射率的影响,从而得出最优的结构参数;同时,通过对比两种超材料的性能,分析了层叠结构的优势。与前人设计的结构相比,本文设计的超材料增透膜不仅具有更低的反射率,还能于多波段实现反射。
2 多波段增透膜的理论基础与结构设计
2.1 理论基础
典型的太赫兹超材料增透膜一般在硅的基础上进行建模,其基本结构由三部分组成:顶层的周期性金属结构、中间的非金属介质材料、底层的硅基。
太赫兹超材料增透膜的主要理论基础为阻抗匹配原理。为提高电磁波的透射,需在折射率较低的自由空间和折射率较高的硅基之间添加折射率介于二者之间的材料,使其能够分别在两个界面上实现阻抗匹配,以保证入射的电磁波保持低反射传输,从而增大太赫兹波的传输效率。
根据参考文献[
11-12]的理论分析可知,当太赫兹超材料增透膜的物理厚度小于工作波长时,可以将其等效为一层厚度为
式中:
增透膜的反射率
2.2 结构设计
多波段太赫兹超材料增透膜的基本单元结构设计如
图 1. 双波段增透膜的结构示意图。(a)基本单元;(b)第一层金-聚酰亚胺的平面结构;(c)第二层金-聚酰亚胺的平面结构
Fig. 1. Structural diagram of dual-band antireflection coating. (a) Unit cell; (b) planar structure of first layer of gold-polyimide; (c) planar structure of second layer of gold-polyimide
3 仿真结果及分析
3.1 仿真结果
利用电磁仿真软件CST Microwave Studio对结构进行建模,并进行时域仿真。入射电磁波被设置为沿
图 2. 双波段增透膜与裸硅的反射率和透射率
Fig. 2. Reflectivity and transmissivity for dual-band antireflection coating and bare silicon
3.2 多波段增透膜的形成机理
为分析该增透膜两个反射低谷的形成机理,将两层金属-聚合物、单层SRRs-聚合物以及单层矩形-聚合物这三种超材料结构进行对比分析,结果如
为证明上述结论,进一步利用CST Microwave Studio对所设计的增透膜结构在两个超低反射频率处的电场分布进行数值计算。
图 4. 不同超材料结构金属表面在不同频点下的电场分布。(a)两层金属-聚合物结构,0.471 THz;(b)两层金属-聚合物结构,1.560 THz;(c) SRRs-聚合物结构,1.560 THz;(d)单层矩形-聚合物结构,1.560 THz
Fig. 4. Electric field distributions on metal surfaces of different metamaterial structures at different frequencies. (a) Two layer of metal-polyimide structure, 0.471 THz; (b) two layer of metal-polyimide structure, 1.560 THz; (c) SRRs-polyimide structure, 1.560 THz; (d) rectangle-polyimide structure, 1.560 THz
4 结构参数优化及性能分析
4.1 第一层聚酰亚胺厚度对反射率的影响
为研究聚合物厚度对增透膜反射率的影响,对于具有不同厚度聚酰亚胺(
式中:
图 5. 反射率和带宽随h1的变化。(a) 0.471 THz附近反射率与h1的关系;(b) 1.560 THz附近反射率与h1的关系;(c) 0.471 THz附近带宽与h1的关系;(d) 1.560 THz 附近带宽与h1的关系
Fig. 5. Reflectivity and bandwidth versus h1. (a) Reflectivity versus h1 at frequency near 0.471 THz; (b) reflectivity versus h1 at frequency near 1.560 THz; (c) bandwidth versus h1 at frequency near 0.471 THz; (d) bandwidth versus h1 at frequency near 1.560 THz
观察
4.2 金属矩形边长对反射率的影响
当边长
综合考虑低反射率与宽带宽,本结构选取金属矩形的长为36 μm作为最优值。
图 6. 反射率和带宽随b的变化。(a) 0.471 THz附近反射率与b的关系;(b) 1.560 THz附近反射率与b的关系;(c) 0.471 THz附近带宽与b的关系;(d) 1.560 THz附近带宽与b的关系
Fig. 6. Reflectivity and bandwidth versus b. (a) Reflectivity versus b at frequency near 0.471 THZ; (b) reflectivity versus b at frequency near 1.560 THz; (c) bandwidth versus b at frequency near 0.471 THz; (d) bandwidth versus b at frequency near 1.560 THz
4.3 金属SRRs边长对反射率的影响
利用CST对金属SRRs边长
式中:
图 7. 反射率和带宽随c的变化。(a) 0.471 THz附近反射率与c的关系;(b) 1.560 THz附近反射率与c的关系;(c) 0.471 THz附近带宽与c的关系;(d) 1.560 THz附近带宽与c的关系
Fig. 7. Reflectivity and bandwidth versus c. (a) Reflectivity versus c at frequency near 0.471 THz; (b) reflectivity versus c at frequency near 1.560 THz; (c) bandwidth versus c at frequency near 0.471 THz; (d) bandwidth versus c at frequency near 1.560 THz
4.4 超材料增透膜的性能
根据
图 8. 不同结构的反射率以及不同频点附近反射率与b的关系。 (a)两种结构的反射率; (b) 0.813 THz附近反射率与b的关系;(c) 1.617 THz附近反射率与b的关系
Fig. 8. Reflectivity of different structures and relationship between reflectivity near different frequencies and rectangular side length b. (a) Reflectivity of two structures; (b) relationship between reflectivity versus b at frequency near 0.813 THz; (c) relationship between reflectivity versus b at frequency near 1.617 THz
单纯的聚合物结构虽然也可以满足低反射、高透射的要求,但产生的反射频段固定且单一。因此,需要利用金属的谐振以及金属之间的耦合等作用,通过改变金属的形状与大小来满足频段多样、灵活的抗反射需求。故而,本研究选取层叠结构为基本单元结构。
5 结论
所设计的基于层叠结构的太赫兹超材料双波段增透膜,可在0~2 THz范围实现两个波段的超低反射。通过将两层金属-聚酰亚胺结构与单层金属-聚酰亚胺结构的金属表面的电场分布进行对比,分析了两个反射低谷的产生机理。结果表明:第一个反射低谷与第一层金属的谐振有关,第二个反射低谷与两层金属之间的耦合有关。进一步研究了改变超材料结构参数对双波段增透膜反射率与带宽的影响,分析了采用层叠结构的优势。太赫兹超材料双波段增透膜相比于以往的单波段增透膜具有更广阔的应用前景。
[10] Chen H T, Zhou J F. O'Hara J F, et al. A numerical investigation of metamaterial antireflection coatings[J]. Terahertz Science and Technology, 2010, 3(2): 66-73.
[13] 刘鹏, 江建军, 陈谦, 等. 频率选择表面结构吸波体的电磁特性研究[J]. 电子元件与材料, 2011, 30(10): 56-59.
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乔楠, 延凤平, 王伟, 谭思宇, 李广森. 基于层叠结构的双波段太赫兹超材料增透膜设计[J]. 中国激光, 2019, 46(6): 0614031. Nan Qiao, Fengping Yan, Wei Wang, Siyu Tan, Guangsen Li. Dual-Band Terahertz Metamaterial Antireflection Coating Based on Multilayered Structure[J]. Chinese Journal of Lasers, 2019, 46(6): 0614031.