太赫兹频段人工电磁材料综述

刘芳妍

摘  要：近年来人工电磁材料器件已经成为在亚波长尺度上调控电磁波的重要工具，因为它很容易根据电磁谐振器周期单元结构阵列来设计其光学特性，如折射率、介电常数和磁导率等等。人工电磁材料具有很多奇异性质，这也使其具有可调控、传感和吸波等特性。

关键词：人工电磁材料;调控;传感;吸波

中图分类号：TB97          文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）09-0016-02

Abstract： In recent years， metamaterials devices have become an important tool to regulate electromagnetic waves on a subwavelength scale， because it is easy to design their optical properties， such as refractive index， dielectric constant and permeability， according to the periodic cell structure array of electromagnetic resonators. Artificial electromagnetic materials have many strange properties， which also make them have controllable， sensing and absorbing properties.

Keywords： metamaterials; controllable; sensing; absorbing

1 人工电磁材料概述

人工电磁材料又被称作“超材料”，是一种磁导率和介电常数同时为负的人工结构材料，也是本世纪物理学领域新出现的学术词汇，近期出现在各个科学领域里。人工电磁材料往往具有如下三个重要的特征：

（1）通常是具有人工结构的复合材料。

（2）往往具有超常的物理性质（即自然界原本不存在的某种奇异性质）。

（3）其性质往往不由构成材料本身的本征性质决定，

而是由组成其材料的人工单元结构所决定。

在这其中最经典的几种人工电磁材料分别为左手材料、光子晶体以及超磁性材料。左手材料在2003年被Science杂志列为当年的“十大科学进展”之一;在2006年底英美两国科学家联手利用与左手材料相似的设计方法设计出梯度超材料，并实现隐身斗篷功能，Science杂志再一次将其列进十大科学进展，这足以体现人工电磁材料其重要性。为了更好地区分人工电磁材料，我们通常从电磁波传播特性以及磁导率和介电常数的正负性来加以区分：当介电常数小于零且磁导率大于零，代表物质为等离子体频率以下的金属;当介电常数和磁导率同时大于零，代表物质为普通透明介质;当介电常数和磁导率同时小于零，代表物质为左手材料;当介电常数大于零且磁导率小于零时，代表物质为铁磁共振频率附近的铁氧体。

2 太赫兹波概述

太赫兹波（THz波）又被称作太赫兹射线，主要指频率在0.1THz到10THz之间的电磁波，太赫兹电磁频谱位于微波与红外线之间，主要可以应用于无创医疗检查、无损故障分析、安全监视、下一代高速无线通信网络等等，如图1所示。

因此在太赫兹频域段工作范围内的超材料一方面在探测成像、檢测微生物上有着广阔前景，即常见的人工电磁材料单元结构通常以开口谐振环为主，而一些微生物的尺寸与太赫兹超材料的间隙相同;另一方面也可应用于等离子选择表面，开口谐振环电磁谐振器构成的超材料几何结构支持多种谐振模式，且等离子体表面对光学性质有一定的控制作用，通过设计超材料表面的非对称性纳米间隙，利用几何设计其光学特性，获得具有高度选择性的光传输和偏振控制。而超材料本身是一种结构比其工作波长短得多的人造电磁介质，大多数超材料是利用亚波长共振金属元件构造的。

3 人工电磁材料的可调控特性概述

对于由人工结构单元组成的超材料，它们一般分为周期性排列和非周期性排列，超材料的奇异电磁性质完全来源于单元结构性质而不是其本构材料的特征。因此一旦结构确定，超材料的工作带通常是固定的。此外对于基于电磁谐振器单元结构的超材料其带宽是有限的。因此具有可调工作频率和宽带宽的可调谐超材料引起了人们的广泛关注。其基本原理可描述为通过加热、光泵、电场或磁场来调节材料的复介电常数或磁导率，然后超材料单元的有效参数随之变化，从而产生可调谐的频率响应。不过尽管超材料具有可调谐的工作频率，但其可调谐性通常是有限的，因此科学家们还提出了可重构超材料以实现可能更高的调谐范围。构成可重构超材料的途径主要包括通过微机电系统技术或者变形来改变超材料的结构。

4 人工电磁材料的传感特性概述

近年来科学家提出一种电磁超材料的替代传感平台，电磁超材料可被看作是一种提供有效电磁响应的均匀材料，其通常使用具有介电间隙的金属开环来实现谐振，根据它们的几何形状、相位以及内容物可在比周期长的波长处与电磁波耦合，共振时在金属回路中产生强烈的电流振荡，在间隙中产生局域电场。这种局域共振场对亚波长间隙区域介质的变化非常敏感。以微流体传感器为例，微流体传感器由单个开口谐振环（SRR）、超材料的基本构造块实现。在谐振时SRR产生一种限制在深亚波长区域内的强电场，在该区域上的微通道中流动的液体可以改变局域场分布，从而影响开口谐振环共振行为。具体来说，谐振频率和带宽受液体样品的复合介电常数的影响，这不仅建立了传感器共振与样品介电常数之间的关系，也可估算液体样品的复合介电常数。该技术能够感应液体在沟道中的流动。如果需要准确估计复杂介电常数，实现化学介电特性的多波段传感，也可通过集成超材料与微流通道建立介电模型，随着传感器中谐振器数目的增加，可得到具有更详细介电信息的介电谱曲线。

5 人工電磁材料的吸波特性概述

从微波到光学部分电磁光谱的超材料完美吸收器因其卓越的吸收电磁辐射的能力而得到了深入的研究。与上一节相对应，完美超材料吸收器也可以广泛应用于传感。其用于传感的主要优点是吸收器共振频率的敏感位移，以及由于分析物与电场磁场在共振完美吸收频率下的强烈相互作用而引起的共振振幅的急剧变化。超材料本身是一种远小于光波长的具有结构单元的共振金属纳米结构，我们通过适当的设计其千兆赫兹频率范围内的电磁响应，超材料的完美吸收是可能的。我们在设计超材料完美吸收器时也要考虑金属薄膜中的阻尼对于在实验中实现理想吸收具有重要的意义。

6 结束语

在这篇综述中，我们重点讨论了具有电磁光学特性的人工电磁材料的基本特点以及其一些应用特性，比如传感、调构、吸波。超材料的上述定义一般包括周期性以及非周期性合成物，但我们主要关注的是周期性结构，因为到目前为止实现的绝大多数超材料实际上都是基于周期性的平移不变性而展开讨论的。因此研究超材料最简单的例子是基于一种单一的块体材料，在这种单一块体材料中引入合理的周期性孔隙以获得新的性能。在未来超材料也可更多的应用于各个领域，例如医学、工业、安防等等。

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