多层电磁超材料在太赫兹技术中的应用研究进展

姚建铨，梁兰菊

(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，枣庄 277160)

0 引言

电磁超材料也称为人工电磁材料，是指具有特定几何形状的亚波长宏观基本单元周期性或非周期性地排列所构成的人工材料［1－3］.人们可以通过人为地设计单元结构来控制材料属性，构成自然界不存在的特殊结构材料，进而控制电磁波的传播［4－8］.超材料是近年来国际物理与电磁学界的前沿与热点问题，与其相关的科学研究10年来已有三次被Science杂志评选为年度十大科技突破之一［9－13］.

太赫兹波是介于毫米波和红外波之间的相当宽范围内的电磁辐射区域，在物理学、材料科学、医学成像、宽带和保密通讯，尤其是卫星间通讯方面具有重大的应用前景［14－20］.但是长期以来缺乏有效的太赫兹辐射产生和检测方法，以及自然界中很少有材料能够响应该波段，导致太赫兹波段的电磁波未得到充分的研究和富有成效的应用，被称为电磁波谱中的“太赫兹空隙”.特别是缺乏功能化的太赫兹器件，如滤波器、吸收器、开关、偏振器等方面使太赫兹波段无法得到实际应用.

电磁超材料，通过合理设计结构单元的尺寸，可以很容易的控制在太赫兹波段，从而作为一种太赫兹人工材料被应用于构造太赫兹器件［21－27］.关于超材料大多数是利用磁谐振器(如SRR环)和电谐振器(如开口金属线)分别实现负磁导率和负介电常数，通过组成阵列来同时实现“双负”［28－29］.但是，电磁超材料的机理是基于强电磁共振的，因此谐振带宽很窄，只能应用于有限领域，无法大量解决军事和民用方面的需求.如何提高功能器件性能成为科研工作者所追寻的目标，利用有效的方法实现频带的拓展是当前待解决的主要问题之一.

为了解决目前存在带宽窄等问题，多层超材料结构或者不同结构的组合实现双频、多频和宽频共振响应，可以实现不同性能的太赫兹功能器件，拓宽太赫兹的应用领域［30－33］.例如，通过多层电磁超材料结构可以拓宽滤波器的带宽，提高边缘陡峭度，当然也可以提高窄带滤波器的Q值;通过不同结构尺寸层间相互作用可以拓宽吸收器的带宽;通过多层超材料，可以改变电磁波的传播方向，进而控制电磁波的偏振态.因此电磁多层超材料特性无疑将为太赫兹器件发展提供新的机遇.本论文主要研究多层电磁超材料在太赫兹波段滤波器、吸收器、偏振器件等方面的应用.

1 多层电磁超材料在太赫兹滤波器方面的应用

太赫兹滤波器在通讯、成像、传感等方面有着广泛的应用.特别是超宽带滤波器，可以实现高数据传输，具有广阔的应用和发展前景.

2012年，梁兰菊等人基于多层柔性超材料宽通带太赫兹滤波器［34］.设计的结构主要包括隔离层－金属－隔离层－金属－隔离层dielectric－metal－dielectric－metal－dielectric(DMDMD)五层组成，如图1所示.隔离层用柔性聚酰亚胺(polyimide)，因其具有较低的介电损耗、良好的柔韧性、稳定和透明性等方面的突出特点，作为微结构的基底和隔离层已经得到充分的认识，被称为是解决问题的能手.设计的超材料金属结构主要包括渔网状与方形环阵列组成，包括两层尺寸相同，结构一样的超材料金属结构.

图1 (a)隔离层－金属－隔离层－金属－隔离层结构示意图(b)结构参数为 ax=ay=132 μm，az=120 μm，Lp=120 μm，Wn=14 μm，Wm=10 μm，Lm=10 μm，Wp=14 μm，Ln=56 μm，LR=40 μm，聚酰亚胺的厚度为 d=40 μmFig.1 (a)Schematic of the dielectric－metal－dielectricdielectric－dielectric metamaterial structure(b)The dimension parameters are，ax=ay=132 μm，az=120 μm，Lp=120 μm，Wn=14 μm，Wm=10 μm，Lm=10 μm，Wp=14 μm，Ln=56 μm，LR=40 μm，and the thickness of the polyimide isd=40μm

图2(a)为DMDMD结构的太赫兹传输特性，结果表明，3dB带宽范围从0.5到0.97 THz，大约为0.47 THz，尖锐边过渡转变分别为80dB/THz与96dB/THz，通带的波纹小于1dB，相对中心频率为63.95%.为进一步研究该太赫兹滤波器的传输特性，该多层超材料金属结构的互补结构的传输特性也进行了研究，如图2(b)所示，发现在0.5－0.97 THz左右有一个宽的阻带.因此，这种多层柔性超材料结构以及它的互补结构可以实现高性能的超宽通带与阻带太赫兹滤波器.为实现太赫兹滤波器提供了一种方法.

图2 (a)基于DMDMD结构的超宽带太赫兹滤波器的传输谱(b)太赫兹滤波器的传输谱(红色线)与互补结构的传输谱(黑色线)Fig.2 (a)Transmission spectrum of the broadband THz bandpass filter based on the DMDMD structure(b)The transmission spectra(red solid lines)and with its complementary this structure(black solid lines).

2012年，Xueqian Zhang［35］等人设计了鱼鳞形状的两层超材料结构宽通带滤波器，超材料结构示意图如图3所示，基底为高阻硅，两层超材料方向为垂直放置，用20微米的聚酰亚胺隔离.图4为测量与模拟的太赫兹传输谱线，从图中可知，测量的3dB范围为0.52－1.65 THz之间，带宽约为1.13 THz，尖锐边过渡转变为50dB/THz，通带的波纹小于1dB.该宽通带滤波器产生的机理主要是因为两层超材料之间的相互耦合作用.测量传输曲线与模拟传输曲线符合的很好，实现了宽通带滤波器的效果.

图3 (a)鱼鳞超材料结构三维单元结构示意图(b)Z轴方向超材料结构示意图Fig.3 (Color online)(a)Three－dimensional schematic of the unit cell of the BFM(b)View of the BFM from the z axis.

图4 (a)测量的太赫兹传输曲线(b)模拟太赫兹传输曲线Fig.4 (a)Measured spectra of spectra oft(ω)for all three BFMs(b)Corresponding simulated spectra.

2011年，N.R.Han研究了不同尺寸SRR环构成多层超材料的传输特性［36］.多层超材料结构示意图如图5所示，每一层超材料制作在100 μm的polyethylene naphthalate(PEN)薄膜上边，该多层超材料结构共5层.从图6传输曲线可知，通过堆叠不同独自频率响应的二维超材料，得到半高全宽(FWHM)约为0.38 THz共振响应，带宽比利用单层超材料约增加4.2倍.并且阻带抑制低于30dB，这比单层超材料的阻带抑制低得多.该滤波器尖锐边过渡转变超过100dB/THz.此优良的传输特性对做太赫兹宽阻带滤波器提供了一种有效的途径.

图5 (a)多层超材料结构示意图(b)柔性PEN薄膜照片，表明可以制作在非平面太赫兹器件(c)多层超材料结构示意图Fig.5 (a)Multi－layer metamaterials stacking illustration(b)photograph of the flexible PEN film，indicating its potential for implanting non－planar THz devices，And(c)photograph of the multi－layer metamaterials.

图6 多层整体超材料和每一单层超材料传输曲线Fig.6 Transmission spectra of the overall multi－layer metamaterials and the corresponding single layer metamaterials.

为了进一步研究多层超材料在太赫兹波段的传输特性，对于由相同尺寸组成的DSRR环梁兰菊等人进行了研究［37］，五层超材料结构示意图如图7(a)所示，DSRR环层与层之间用厚度h=15μm聚酰亚胺隔离，当入射电磁波电场方向与谐振环狭缝垂直时如图7(b)所示，出现了多个谐振谷，吸收强度随着层数的增加而急速增加，当超材料的层数从1层增加到五层时，在谐振频率0.80 THz处，谐振谷从－17dB变化到－44dB.因此，相同尺寸，相同结构的多层超材料可以制成窄带滤波器.

图7 (a)多层DSRR超材料示意图(相同尺寸构成)(b)太赫兹波在多层超材料传输曲线(层数为1，3，5)，电场方向垂直狭缝Fig.7 (a)Scheme of the structure of the multi－layer DSRR metamaterials(composed with the same size)(b)Transmission spectra of THz wave in multi－layer metamaterialswith 1，3 and 5 layersrespectively，the electric field is aligned vertical to the gap － bearing side

因此，通过国内外专家研究可知，对于多层电磁超材可以制作性能优良的太赫兹宽通带滤波器，也可以制作谐振很强的窄带滤波器.利用相同结构不同尺寸的多层超材料，可以提高滤波器带宽，利用相同结构相同尺寸的多层超材料，可以提高谐振器的强度，提高滤波器的Q值.多层电磁超材料为太赫兹技术的发展提供了非常有效的办法.

2 多层电磁超材料在太赫兹吸收器方面的应用

一般情况下，利用单层电磁超材料设计吸波器的带宽比较窄，相对于中心工作频率小于10%.这种窄带吸收特性限制了人工吸波材料在器件中的广泛运用.而对于宽频带吸收器，在吸波、隐身、以及能量转换等方面更有使用的价值.因此太赫兹宽带吸收器的研究越来越引起人们的兴趣.

2010年，叶余千等人设计了三层电磁超材料太赫兹宽带吸收器［38］，结构示意图如图8所示，为了拓宽吸收器的带宽，设计的每层金属线长度L稍微不同，各层中的共振频率就会彼此靠近.优化每层聚合物的厚度，使得人工吸波结构的阻抗都能同自由空间的阻抗相匹配，从而实现宽带且近乎完美的吸波.从图9可以看出，得到了一个相对较宽的吸收带，频率范围为(4.45 THz－4.95 THz)，其吸收率达到为97%以上，相对中心的吸收带宽达到了27%.而且，三层结构的总厚度不到入射波长的1/15.因此利用不同超材料结构参数可以实现宽带吸收，拓宽太赫兹技术的应用范围.

图8 三层金属十字结构超材料吸收器的示意图以及相应的几何参数Fig.8 Schematic diagram of a 3－layer cross structure with the geometrical parameters of each layer marked on it.

图9 (a)一层，(b)两层，(c)三层金属十字结构所对应的吸收谱曲线Fig.9 Absorption spectra for(a)1－layer cross structure(b)2－layer cross structure(c)3－layer cross structure.

图10 (a)三层超材料吸收器平面图(B)完整的器件横截面图(C)九单位多层超材料吸收器SEM图(D)单个超宽带吸收器SEM图像Fig.10 (a)Plan view of the three－layer MM absorber and(b)cross section of the complete devive(c)SEM image of nine unit cells of the multilayer absorber and(d)SEMimage of a single superpixel broadband absorber.

2011年，James Grant等人同样利用不同尺寸的三层电磁超材料结构实现了太赫兹宽带吸收器［39］.超材料结构示意图如图所示10所示，为了得到宽带吸收效果 同样设计每层的金属线长度L稍微不同，三个靠近的共振峰组合形成一个宽带吸收谱.从图11可以看出，得到了一个相对较宽的吸收带，超过60%的吸收率的带宽为1.86 THz，半高带宽相对中心频率为48%，为单层相对中心带宽的2.5倍.

图11 (a)多层超材料的实验与模拟曲线以及每一层的吸收曲线的实验结果(b)超宽带吸收器的吸收光谱Fig.11 (a)Experimental and simulated(FDTD)data of the multilayer absorber.Also plotted is the experimental absorption spectrum for a single layer absorber.(b)Absorption spectra for the superpixel broadband absorber.

3 多层电磁超材料在太赫兹偏振器方面的应用

太赫兹偏振器是太赫兹通信、雷达的必要器件.一般情况下，平面超材料不能实现正入射线偏振电磁波的不对称透射，实现电磁波的偏振转换，必须通过多层手性超材料来实现.

2013年，洛斯阿拉莫斯国家实验室，利用多层电磁超材料研究出超薄、平面、轻量级和宽带极化光子器件［40］，该器件使其在太赫兹频率的应用成为可能，将提高安全检查系统，红外摄像机，能量收集和雷达系统.

设计的宽带偏振器件如图12所示，单元偏振器件主要为线阵列和光栅组成，中间用聚酰亚胺隔离，线阵列和光栅之间的距离为33微米.从图13看出，这种器件的线性偏振超过90%，有效的转换效率超过50%为0.52－1.82 THz频率之间，在1.04 THz出，转换效率达到80%以上，并且该偏振器的插入损耗特别低.

图12 透射宽带偏振转换(a)超材料线性偏振单元结构示意图，垂直入射的x－偏振光转换成y－偏振光(b)交叉极化的传输谱线，分别为实验、模拟以及理论计算结果以及反射交叉极化的模拟曲线.Fig.12 Broadband polarization conversion in transmission(a)Schematic of the unit cellof the metamaterial linear polarization converter，in which a normally incident x－polarized wave is converted into a y－polarized one(b)Cross－polarized transmittance obtained through experimental measurements，numerical simulations，and theoreticalcalculations.Also shown is the numerically simulated copolarized reflectance.

2013年，Yi－Ju Chiang等人利用多层电磁超材料实现了极化偏转［41］.设计的偏振器为超薄极化偏转谐振器，结构示意图如图13所示，单元结构为一对非对称的开口环谐振器和一个S形状谐振器组成，他们之间用50微米厚的Teijin Tetoron polyethylene terephthalate(PET)隔离，总的厚度为50.4微米.测量的太赫兹信号如图14所示，在1.04 THz

因此，利用多层电磁超材料，可以设计超薄、带宽宽、性能更优良的偏振器件.

图13 (a)基于复合超材料偏振旋转器的单元结构示意图(b)一对非对称开口环谐振器(c)一个S形状的谐振器Fig.13 (a)Unit cell of the composite－metamaterial－based UTPR(b)a pair of ASRRs(c)an SR.

图14 (a)极化偏转器的样品示意图，ASRR(一对非对称的谐振环)和SR(S形超材料)(b)测量的极化偏转器(红色三角形)(蓝色正方形)的曲线，模拟(红色线)(蓝色线)的曲线，测量的PCR(黑色圆点线)与模拟的PCR(黑色线)非常的吻合.Fig.14 (a)OM images of the real UTPR sample viewed from the ASRR side and the SR side.(b)(red(blue squares)from the UTPR sample coincide with(red line)(blue line)involving the lossy PET substrate.The measuredPCR(black circles)also agrees well with the simulated one(black line).

4 多层电磁超材料在太赫兹技术应用的发展趋势

太赫兹波段多层超材料从首次提出到现在经历了不长的时间，但是其研究成果已经取得了一定的进展，成为实现太赫兹功能器件的重要途径.未来的多层电磁超材料在太赫兹技术的应用发展将朝着以下几个方向发展.

(1)宽频带太赫兹滤波器、吸收器等器件的发展.目前有关基于多层电磁超材料功能器件的报道还是比较少，它将是未来电磁超材料研究的一个热点.设计出性能优异的宽频带滤波器与吸收器等器件是发展的重要趋势，特别是对于柔性，超薄太赫兹功能器件.

(2)太赫兹偏振器件的发展.设计超薄，宽带，高效率的太赫兹偏振转化器件同样是未来的发展方向.

(3)各种各样的太赫兹功能器件已经被实验验证可行性，但是最重要的是即将目前的各种功能器件推向实际应用，是该方向的难点，也是重要的发展趋势.

5 总结

由于缺乏用于太赫兹的天然材料，以超材料为基础的器件在太赫兹频率范围内的应用具有特别的吸引力.对于太赫兹滤波器、吸收器器件，利用多层电磁超材料、低介电常数作为基底设计的功能器件可以克服非常有限的带宽和高损耗等缺陷，对于太赫兹偏振器件，可以实现宽带、高效率的偏振转化.总之，基于多层电磁超材料的太赫兹器件已经有了较大的进展，功能器件的发展对于太赫兹技术早日用于实际中有很大的帮助，更有利于发展太赫兹在通讯、成像、雷达及医学方面的发展.

［1］Veselago V G.The electrodynamics of substances with simulataneously negative values of ε and μ ［J］.Sov.Hys.Usp，1968，10(4):509 －514.

［2］Smith D R，Schultz S，Mapkos P，et al.Determination of effective permittivity and permeability of metamaterials from reflection and transmission coefficients［J］.Phys Rev B，2002，65(19):5104－5108.

［3］Cai Ws，Shalaev V M.Optical Metamaterials:Fundamentals and Applications［M］.New York:Springer—Verlag，2010.

［4］Shelby R A，Smith D R，SchultzS.Experimental verification of a negative index ofrefraction［J］.Science，2001，292(5514):77–79.

［5］J Pendry，and D Smith.Comment on Wave Refraction in Negative－ Index Media:Always Positive and Very Inhomogeneous［J］.Phys.Rev.Lett，2003，90:029703.

［6］Pendry J B.Metamaterials in the sunshine［J］.Nat.Mater，2006，5:599 – 600.

［7］Liu Z，Lee H，Xiong Y，et al.Optical hyperlens magnifying sub－diffraction－limitted object［J］.Science，2007，315:1686–1687.

［8］Pendry J B，Schurig D，Smith D R.Controlling electromagnetic fields［J］.Science，2006，312:1780–1782.

［9］Fang N，Lee H，Sun C，et al.Sub－diffraction－limited optical imaging with a silver superlens［J］.Science，2005，308:534–537.

［10］Schurig D，Mock J J，Justice B J，et al.Metamaterial electromagnetic cloak at microwave frequencies［J］.Science，2006，314:977–980.

［11］Cai W，Chettiar U K，Kildishev A V，et al.Optical cloaking with metamaterials［J］.Nat.Photonics，2007，1:224 –227.

［12］Valentine J，Zhang S，Zentgraf T，et al.Three dimensional optical metamaterial exhibitingnegative refractive index［J］.Nature，2008，455:376－379.

［13］Zheludev N I.The road ahead for metamaterials［J］.Science，2010，328:582–583.

［14］Mickan S P ，Menikh A，Liu H，et al.Label－free bioaffinity detection using terahertz technology［J］.Phys.Med.Biol，2002，47:3789–3795.

［15］Fischer B，Hoffmann M，Helm H，et al.Chemical recognition interahertz time－domain spectroscopy and imaging［J］.Semicond.Sci.Technol，2005，20:S246– S253.

［16］Federici J F，Schulkin B，Huang F，et al.THz imaging and sensing for security applications－explosives，weapons，and drugs［J］.Semicond.Sci.Technol，2005，20:S266 – S280.

［17］LEE Y S.Principles of Terahertz Science and Technology［M］.New York:Springer－ Verlag，2009.

［18］Hirata A，Kosugi T，Takahashi H ，et al.120－GHz－Band millimeter－wave photonic wireless linkfor 10－Gb/sdata transmission ［J］.IEEE Transcations on Microwave Theory andTechniques，2006，54:1937 －1944.

［19］David J Love，Robert W Heath Jr，Vincent K N Lau，et al.An overview of limited feedback inwireless communication systems［J］.TEEE Jour.On selec.Area in comm，2008，26(8):1341 －1365.

［20］Thomas Kleine － Ostmann，Tadao Nagatsuma.A Review on Terahertz CommunicationsResearch［J］.J Infrared Milli Terahz Waves，2011，32:143 – 171.

［21］潘学聪，姚泽瀚，徐新龙，等.太赫兹波段超材料的制作、设计及应用［J］.中国光学，2013，6(3):283－296.

［22］Yen T J，Padilla W J，Fang N ，et al.Terahertz magnetic response from artificialmaterials［J］.Science ，2004，303:1494－1496.

［23］Padilla W J，Taylor A J，and Averitt R D.Dynamical Electric and Magnetic Metamaterial Response at Terahertz Frequencies［J］.Phys.Rev.Lett，2006，96:107401.

［24］Chen H T，Padilla W J，Zide J M，et al.Active terahertz metamaterial devices［J］.Nature ，2006，444:597.

［25］X.Wu，B.Quan，X.Pan，et al.Alkanethiol－ functionalized terahertz metamaterial aslabel－ free，highly－ sensitive and specific biosensor［J］.Biosens.Bioelectron，2013，42:626 －631.

［26］Ting－Tso Yeh，Simone Genovesi，Agostino Monorchio，et al.Ultra－broad and sharp－transitionbandpass terahertz filters by hybridizing multiple resonances mode in monolithicmetamaterials［J］.Opt.Express，2012，20(7):7580 －7589.

［27］James Grant，Yong Ma，Shimul Saha，et al.Polarization insensitive，broadband terahertz metamaterial absorber［J］.Opt.Lett，2011，36(17):3476 －3478.

［28］Woodley J F，Wheeler M S，and Mojahedi M.Left－handed and right－handed metamaterials composed of split ring resonators and strip wires［J］.Phys.Rev.E，2005，71(6):066056.

［29］Wang J F，Qu S B，Xu Z H，et al.A candidate three－dimensional GHz left－handed metamaterial composed of coplanar magnetic and electric resonators［J］.Science，2008，6(3):183 －186.

［30］Yuany，Bingham C，Tyler T，et al.Dual－ band planar electric metamaterial in the terahertz regime［J］.Opt.Express，2008，16(13):9746 －9752.

［31］Chowdhury D R，Sing H J，Reiten M，et al.A broadband planar terahertz metamaterial with nested structure［J］.Opt.Express，2011，19(17):15817 －15823.

［32］Huang L，Chowdhury D R，Ramanis，et al.Experimental demonstration of terahertz metamaterial absorbers with a broad and flat high absorption band ［J］.Opt.Lett，2012，37(2):154 －156.

［33］Chiang Y J，Yang Chan Shan，Yang Yu－Hang，et al.An ultrabroad terahertz bandpass filter based on multiple－resonance excitation of a composite metamaterial［J］.Appl.Phys.Lett，2011，99:191909 －3.

［34］Liang Lan Ju，Yao Jian Quan，Yan Xin.Ultrabroad terahertz bandpass filter based on amultiple－Layered metamaterial with flexible substrates［J］.Chin.phys.Lett，2012，9(9):094209.

［35］Xueqian Zhang，Jianqiang Gu，Wei Cao，Jiaguang Han，et al.Bilayer－fish－scale ultra－broadterahertz bandpass filter［J］.Opt.Lett，2012，37(5):906 －908.

［36］Han N R，Chen Z C，Lim C S，Ng B，et al.Broadband multi－layer terahertz metamaterials fabrication and characterization on flexible substrates［J］.Opt.Expres，2011，19(8):6990 －6998.

［37］梁兰菊，姚建铨，闫昕，等.太赫兹波在谐振环多层超材料传输特性的研究［J］.激光与红 外，2012，42(9):1050－1054.

［38］Yu Qian Ye，Yi Jin，Sailing He.Ominidirectional，polarization －insensitive and broadband thinabsorber in the terahertz regime［J］.J.Opt.Soc.Am.B，2010，27(3):498 －504.

［39］James Grant，Yong Ma，Shimul Saha，et al.Polarization insensitive，broadbandterahertzmetamaterial absorber［J］.Opt.Lett，2011，36(17):3476 －3478.

［40］Nathaniel K Grady，Jane E Heyes，Dibakar Roy Chowdhury，et al.Terahertz metamaterials for linear polarization conversion and anomalous refraction［J］.Science，2013，340:1304 －1307.

［41］Chiang Y J，Yen T Jen.A composite－metamaterial－based terahertz－wave polarization rotator with an ultrathin thick－ness，an excellent conversion ration，and enhanced transmission ［J］.Appl.Phys.Lett，2013，102，011129.