超材料吸收器设计方法的研究进展

胡丹 王可心王娩宁

摘要：超材料是由人工合成的新型材料，其电磁响应主要取决于构成材料性质以及微结构的物理尺寸和结构排列。超材料吸收器通过优化设计合理的微结构可实现特定频段电磁波的完美吸收。超材料吸收器具有厚度薄、体积小、结构简单、吸收率高等优势，可广泛应用于电磁隐身、折射率传感、热成像、电磁屏蔽等领域。本文结合国内外研究现状的基础上简要综述几种类型的超材料吸收器的设计方法。

关键词：超材料；吸收器；频带

超材料是指一种自然材料所不具备的反常电磁特性的人工合成材料，近年来其研究受到各界广泛的关注。利用超材料可以實现对电磁波的波长、相位、偏振态、传播方向以及角动量的灵活有效调控，从而实现负折射、平板透镜以及电磁隐身等新奇的电磁特性。超材料一个特别引人关注的应用领域是电磁波“完美吸收器”，完美吸收器是美国波士顿学院Landy等人在2008年首次提出的，这是一种基于超材料的电磁共振吸收器，通过合理设计器件的结构尺寸和材料参数，入射电磁波能够在结构表面产生反向电流，从而使电磁波局域在介质层内实现特定电磁波的完美吸收。[1]目前，吸收器的潜在应用包括电磁隐身、热成像、折射率传感等领域。笔者分类简要介绍了不同类型的超材料吸收器的设计方法。

一、单频带超材料吸收器

单频带超材料吸收器可应用于提高器件在某个单一频率点的探测性能。常见的单频带超材料吸收器是由亚波长金属结构/介质/金属膜所构成的三明治结构，例如，Tao等人利用金属劈裂环/介质/金属膜结构，实现了超材料吸收器在太赫兹波段的单频带吸收，在共振频率1.6THz处对入射波的吸收率高达97%，对不同倾斜角入射的TM和TE波都能够实现良好的吸收效果。[2]随后，众多科研人员开始对单频带超材料吸收器进行理论和实验研究，其研究频率范围也从开始的微波波段逐渐扩展到太赫兹、红外、可见光。此外，基于全介质或全金属结构的超材料吸收器也可以实现单频带的完美吸收，例如，美国杜克大学的Liu等人利用高掺杂硅设计超材料吸收器，实验上在1.186THz频率处实现了97.5%的完美吸收。[3]二、双频带超材料吸收器

在某些情况下，超材料器件需要在两个频率点同时具有良好探测性能，因此需要双频带超材料吸收器，这就要求吸收器能够在两个频率处同时具有良好的吸收效率。双频带吸收器结构与单频带类似，多采用“金属微结构/介质/金属膜”的三明治结构，只不过在微结构阵列中的每个结构单元是由两个不同尺寸的相似结构所构成，各自对应一个频率的吸收峰。例如，Wen等人设计和制备了金属劈裂环/介质/金属膜结构，实验测量结果显示此吸收器可在0.45THz和0.92THz处分别实现80.8%和63.4%的吸收效率。[4]

三、多频带超材料吸收器

与双频带吸收器的设计方法相类似，常通过多个不同尺寸的相似结构构成一个结构单元来增加更多的共振频率，以实现多个频带的完美吸收，从而满足多个频带的高探测性能的需求。例如，Shen等人提出三个嵌套的金属环来实现三个频带的高吸收，理论和实验结果表明，在4.06GHz、 6.73GHz、9.22GHz三个频带处分别实现吸收率为99%、93%、95%。[5]此外，通过单个结构激发更多级次的等离子体共振，同样也可以实现多频带的高吸收效率，例如，Hu等人提出“U”形金属环，在太赫兹频率范围内实现了六个频带的高吸收率。

四、宽频带超材料吸收器

单频带、双频带等窄带吸收器可用于窄带探测、传感、成像等。然而，在许多实际应用过程中，例如宽带传感、宽带增透膜、宽带热辐射计等，需要宽带的超材料吸收器才能满足要求。对于宽频带超材料吸收器的设计，研究人员主要从以下几个方法来实现：一、结构相似但尺寸不同的金属结构作为一个结构单元阵列实现宽带高吸收；二、双层或多层金属结构堆栈来加宽吸收器的吸收带宽；三、基于全介质材料的超材料吸收器同样可以实现宽带高吸收率，例如，Pu等人利用重掺杂硅构造光栅结构，通过相消干涉和衍射的完美结合实现宽带吸收。

五、总结

本文简单介绍了几种类型的超材料吸收器，典型的超材料吸收器为金属结构/介质/金属膜的三明治结构单元阵列，通过改变顶层金属结构的形状、大小可以获得所需要的吸收频率。双频带、多频带、宽频带以可以通过在单频带吸收器的每个结构单元的顶层中设计两个、三个或更多的结构相似尺寸不同的微结构来实现。宽频带还可以通过双层或多层金属结构堆栈或全介质材料来实现。

参考文献：

[1]N.I.Landy et al，Phys.Rev.Lett.100，207402 （2008）.

[2]H.Tao et al，Phys.Rev.B 78，241103（R） （2008）.

[3]X.Liu et al，Opt.Express 25，191 （2017）.

[4]Q.Y.Wen et al.Appl.Phys.Lett.，95，241111（2009）.

[5]X.Shen et al.，Opt.Express 19，9401 （2011）.

[6]D.Hu et al，IEEE Photon.J.8，5500608 （2016）.

[7]M.Pu et al，Opt.Express 20，25513 （2012）.

作者简介：胡丹（1981），男，汉族，安徽宿州人，博士研究生，安阳师范学院讲师，研究方向：超材料、微纳光子器件。