电磁超材料吸收器在太赫兹波段的研究进展

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1、2013年10月枣庄学院学报Oct．2013第30卷第5期JOUＲNALOFZAOZHUANGUNIVEＲSITYVol．30NO．5电磁超材料吸收器在太赫兹波段的研究进展1112丁春峰，续宗成，张雅婷，闫昕（1．天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津300072；2．枣庄学院光电工程学院，山东枣庄277160）〔摘要〕基于电磁超材料的太赫兹吸收器通过合理设计结构尺寸和材料参数能够实现近完美吸收，因而受到学术界的关注，近几年对太赫兹吸收器的研究发展很快．本文综述了基于电磁超材料的太赫兹吸收器的研究进展，分别从理论、

2、结构和性能对太赫兹吸收器的研究进行了介绍，最后对太赫兹吸收器的未来发展和待解决的问题进行了探讨．〔关键词〕太赫兹波；电磁超材料；吸收器；进展①〔中图分类号〕0441TB34〔文献标识码〕A〔文章编号〕1004－7077（2013）05－0012－070引言〔1〕电磁超材料（metamaterials）是一种异于天然的人工复合结构或复合材料，具有诸〔2〕〔3〕〔4〕〔5〕如负折射效应、反常Doppler效应、反常Cherenkov效应、完美透镜等超常物理特性．鉴于超材料所表现出的奇妙性质，利用超材料来实现对电磁波的高

3、吸收，近年来也受到广泛关注．从理论上讲，通过对特殊结构模型的优化设计，实现ε和μ的完美匹配，使电磁超材料吸收器与自由空间达到良好的阻抗匹配，以降低电磁波的反射；另外，激励ε和μ的谐振，使电磁波的透射很低，这样，将能实现对电磁波的高吸收．2008年，Landy〔6〕〔7〕等和Tao等分别在微波和太赫兹波段设计出基于电磁谐振的完美”“超材料吸波体．〔8〕〔9〕随后，研究人员又设计出极化不敏感和宽入射角的超材料吸波体．自此以后，太赫兹领域的超材料吸收器开始引起研究人员的关注，多种类型的太赫兹吸收器相继出现．电〔10〕〔1

4、1〕磁超材料吸收器的潜在应用包括测辐射热仪，电磁隐身，热发射以及传感等领域．本文综述了当前基于电磁超材料的吸收器在THz波段的研究最新进展，分类介绍了不同功能超材料吸收器的结构及特点，电磁超材料吸收器在太赫兹波段的发展趋势和要解决的问题进行探讨．1电磁超材料吸收器的理论进展对于一种给定的吸波材料，其吸波特性由传输率T（ω）和反射率Ｒ（ω）决定，即吸收率A（ω）可由下式表示：A（ω）1－T（ω）－Ｒ（ω）（1）如果在一定条件下，则能够使T（ω）和Ｒ（ω）同时等于0或接近0，A（ω）≈1，即实现了近完美吸收．关于如何实

5、现完美吸收，目前有两种理论．1．1阻抗匹配理论该理论认为，吸波材料要实现高吸收率，必须满足两个条件：1）吸波材料阻抗必须①〔收稿日期〕2013－09－10〔基金项目〕国家自然科学基金（项目编号：61271066）；山东省2013科技发展计划项目（项目编号：2013GGA04021）；山东省2013年高等学校科技计划项目（项目编号：J13LN07）．〔作者简介〕张雅婷（1983－），天津人，女，天津大学精密仪器与光电子工程学院讲师，理学博士，主要从事纳米光电子学方向的研究．12丁春峰，续宗成，张雅婷，闫昕电磁超材料吸

6、收器在太赫兹波段的研究进展尽量与自由空间阻抗数相匹配，以便能够使入射的电磁波最大限度地进入材料内部，即吸波器的阻抗Z要等于真空的阻抗Z0．2）吸波材料应该具备较大的电磁波衰减特性，以便使进入材料内部的电磁波最大限度地被损耗掉．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）．要满足条件1，μ（要求ε（ω）quotμ（ω），ω）ε（μ（ω）quot．对于厚度为d的介质材料，要满足条件2，其实质是要求T（ω）quotkd〔12〕0，

7、因为Tt2e－2n，其中t为透射系数，quot由（即要求n必须足够大，2）式可得nquotquot≈εμquot，即要求电磁超材料吸收器的虚部必须足够大．电磁超材料可以通过对几何结构的设计调节与频率相关的电磁本构参数ε（ω）和μ（ω），满足吸波材料设计的两个条件，从而可以制作成吸波材料．1．2干涉相消理论2012年Hou－tongChen提出了太赫兹超材料吸收器的干涉相消理论〔13〕，该理论工作原理如图1所示，太赫兹波在空气－金属结构表面进行反射和透射，其中，透射部分经过底部金属反射层反射后再次回到空气－金属结构表

8、面发生反射和透射，其中一部分太赫兹波透射到空气中，如果该部分透射波和最初的反射波满足干涉相消条件，则可得Ｒ（ω）0，又因为吸收器底层存在金属层，所以T（ω）0，因此，根据公式（1）可知A（ω）1，吸收器实现完美吸收．图1干涉相消原理图Fig．1Multiplereflectionsandinterferencemodelofthemetamaterialab