基于液晶的太赫兹可调谐超材料吸波体

史 添，徐俊杰，孙双元，殷明君，杨 军，尹治平

(合肥工业大学 光电技术研究院，安徽 合肥 230009)

太赫兹波是指频率范围在0.1～10 THz，介于红外和微波之间的电磁波。近年来，太赫兹技术因其在下一代无线通信[1]、无损安检[2]、生物医药[3]、食品与农产品安全检测[4]、全球环境监测[5]等领域的研究价值和应用前景吸引了众多研究人员的关注。然而，由于自然界中缺乏对于太赫兹波产生有效响应的材料，太赫兹波在空气和传统材料中传输时存在严重的衰减，严重限制了太赫兹技术的发展。

超材料是一种人为构造的新型结构材料，具有超越传统自然材料的奇异物理特性，例如负折射率、负磁导率、负介电常数、反多普勒效应等[6-7]。其基本思想是利用亚波长微结构单元与入射电磁波的耦合效应，完成对材料等效参数的控制，进而实现对电磁波传播的操控。作为一种人工材料，超材料加工简单，性能优越，在检测、传感以及成像等方面有着重要的应用[8-10]。作为超材料发展研究的一个重要方向，超材料吸波体这一概念最早于2008年被提出[11]。与传统的吸波体相比，超材料吸波体具有体积小、成本低、厚度薄、易加工、效率高等众多优势，在工程以及科学领域得到了广泛研究和应用。

现有大多超材料吸波体在加工完成后，谐振频率便已经固定，在后期运用的过程中较难改变。然而在很多实际运用中，单频点吸波体己经不再能满足日益复杂电磁环境的需求。为了实现谐振频率的动态可调，研究人员提出了多种方法。文献[12]提出了一种基于静电驱动的MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)悬臂式可调超材料吸波体，实现了吸收频点在1.28～1.32 THz范围内的连续调节。文献[13]通过在超材料吸波体中加载电阻器和介电常数电可调的电流变液，实现了宽带吸收和吸收频带的可调。文献[14]设计了一种单层H形的全硅超材料吸波体，其吸收带宽达到了913 GHz，并且通过调节泵浦光束的强度可实现最大420 GHz的调谐范围[14]。

作为一种在太赫兹波段内具有双折射效应的各向异性材料，液晶制作成本较低，加工工艺成熟，介电常数可调性优良，调谐范围较宽，被认为是可调太赫兹功能器件的理想材料之一[15]。文献[16]通过利用等离子体诱导透明效应，设计了一种基于液晶超材料的电调谐太赫兹调制器，其调制深度超过90%，插入损耗低于0.5 dB。文献[17]提出了一种基于液晶的可调太赫兹吸波体，并通过改变贴片谐振器与金属基板间液晶层的相对介电常数的大小，使得吸收频点的综合可调率达到了15%以上。

本文设计了一种基于液晶及超材料的电控可调谐太赫兹吸波体，并通过仿真分析了所设计吸波体单元的反射波特性。同时，本文采用紫外光刻和湿法刻蚀技术对设计的模型进行了加工测试。测试结果表明，通过改变金属贴片和金属反射层间偏置电压的大小，可实现吸波体谐振频点在101.5～117.95 GHz范围内的动态调控，综合可调率达到13.9%，且在整个调控过程中，吸波体的吸收率均保持在90%以上。本文所设计的吸波体具有单元结构简单、吸收频段可调等优点，在太赫兹波调控、探测等领域具有一定的应用价值。

1 结构设计与工作机理

本文所设计的超材料吸波体的基本单元结构如图1所示，每个基本单元主要由上、下两层石英基板以及两层基板间隙中注入的液晶层构成。在上层石英基板的下表面和下层石英基板的上表面分别设有方形金属贴片层和金属反射层。若干上述基本单元在二维平面上周期性排布，则构成了整个超材料吸波体。表1是最终优化设计得到的具体结构参数。

图1 吸波体单元结构(a)立体图 (b)俯视图 (c)正视图 (d)侧视图Figure 1. Structure of a unit cell of the tunable metamaterial absorber(a)Perspective view (b)Top view (c)Front view (d)Side view

表1 吸波体单元结构参数

向列型液晶是一种各向异性的材料，其相对介电常数会随液晶分子长轴的取向变化而变化。通过在金属贴片层和金属反射层之间施加偏置电压，可实现对于液晶分子取向的动态调节，进而实现对于液晶相对介电常数的调控。为了控制未施加偏置电压时液晶分子的取向，在金属贴片层和金属反射层上各添加了一层厚度为Ti的聚酰亚胺取向层。

如图1(c)和图1(d) 所示，当金属贴片层和金属反射层之间未施加偏置电压时，液晶分子的长轴将平行于取向层表面摩擦产生的沟道，定义此时液晶的相对介电常数为ε⊥。当金属贴片层和金属反射层之间施加偏置电压并逐步增大至饱和电压时，液晶分子将逐渐克服取向层的影响，并最终平行于电场方向，定义此时液晶的相对介电常数为ε∥。

结合等效电路理论分析可知，超材料吸波体的谐振频率和中间介质层的相对介电常数相关[18-19]，因此通过改变施加在金属贴片层和金属反射层间的偏置电压，可以实现对于吸波体谐振频率的动态调节。

2 数值仿真与分析

为从理论上验证相关结构设计，本文采用频域有限元法，分别在液晶处于零偏和饱和两种情况下，对所设计的吸波体进行了数值模拟仿真。其中x-y方向设置为周期性边界条件，激励端口设为平面电磁波，垂直照射于吸波体表面。方形金属贴片层和金属反射层的材质均设置为金属铜，其电导率为5.8×107S·m-1，上下层石英基板的相对介电常数和损耗正切分别为 3.78和0.02，液晶的损耗正切设置为0.02，其零偏和饱和时所对应的相对介电常数ε⊥和ε∥经实测分别为2.49和3.63。同时，考虑到所设计结构的对称性，本文只对电场方向平行于y轴的极化入射的电磁响应进行仿真分析。

所设计吸波体的吸收率可通过如下计算式进行计算

A(ω)=1-|S11|2-|S21|2

(1)

式中，A(ω)、S11和S21分别是吸收率、反射系数和透射系数。由于吸波体下层的金属反射层厚度远大于集肤深度，因此透射系数S21约等于0，故式(1)可简写为

A(ω)=1-|S11|2

(2)

最终仿真分析得到的吸波体的吸收曲线如图2所示，当金属贴片层和金属反射层之间未施加偏置电压时，吸收峰位于117.95 GHz处，相应的吸收率为99.61%。当偏置电压逐渐升高至饱和电压时，谐振频点随之逐渐偏移至101.5 GHz处，对应的吸收率为99.71%。

图2 超材料吸波体零偏和饱和时的仿真吸收谱Figure 2. Simulated absorption spectra of the metamaterial absorber with no bias voltage and fully bias voltage

为了进一步分析所设计超材料吸波体的内部机理，本文仿真分析了施加饱和偏置电压时，吸波体单元结构在谐振频点101.5 GHz处的表面电流分布和能量损耗密度情况。

图3(a)和图3(b)分别为金属贴片层和金属反射层的表面电流分布情况。由图可知，金属贴片层的表面电流主要集中于4条连接线与方形贴片相交处附近，且沿电场矢量方向激发出一个电响应，同时其与底部金属反射层的反向表面电流相互作用形成环流，最终激发出一个磁响应。

(a) (b)图3 金属贴片层和金属反射层的表面电流分布(a)金属贴片层 (b)金属反射层Figure 3. Distributions of the surface current on metal patch layer and metal reflective layer(a)Metal patch layer (b)Metal reflective layer

图4(a)和图4(b)分别为液晶层和石英基板的能量损耗密度情况。结合图分析可知，液晶层的能量损耗主要集中于金属贴片所覆盖的区域，而石英基板的能量损耗则集中在贴片覆盖区域的边沿，整个吸波体绝大部分能量损耗都集中在液晶层。

(a) (b)图4 液晶层和石英基板的能量损耗密度分布(a)液晶层 (b)石英基板Figure 4. Distributions of the dielectric power loss density of liquid crystal layer and quartz plane(a)Liquid crystal layer (b)Quartz plane

不同入射倾角下，吸波体的性能的稳定性对于其实际应用具有十分重要的意义。为了探究入射倾角对所设计吸波体性能的影响，定义入射电磁波方向矢量k与z轴的夹角为入射倾角θ。在电场方向平行于y轴的情况下，分别沿x和y两个方向改变入射倾角θ的大小，模拟计算所设计超材料吸波体的吸收情况。

如图5和图6所示，在入射倾角θ沿x方向从0°逐渐增大到26°的过程中，吸波体的谐振频点几乎没有发生改变，而吸收率从99.61%逐渐降至97.88%。当入射倾角继续增大至78°时，吸波体的谐振频点发生红移，吸收率从97.88%降至47.15%，同时在140 GHz处出现另一吸收峰。随着倾角的继续增大，该峰逐渐朝低频偏移。当入射倾角沿y方向改变时，随着倾角的增大，吸收峰逐渐朝低频移动，当倾角大于65°时，吸收率出现明显减小。

图5 不同入射倾角时的吸收曲线(θ沿x方向改变)Figure 5. Absorption curves at different incident angles(θ changes along x direction)

图6 不同入射倾角时的吸收曲线(θ沿y方向改变)Figure 6. Absorption curves at different incident angles(θ changes along y direction)

综上，当入射倾角沿x方向变化且不超过26°时，吸波体的吸波性能变化较小，保持了较高的稳定性。而当入射倾角沿y方向变化时，吸波体的谐振频点将发生改变，但吸收率始终维持在较高水平。

3 样品加工与测试

为了进一步验证所设计的超材料吸波体的性能，通过紫外光刻和湿法刻蚀技术，在4 cm×4 cm，且厚度为580 μm的石英基板上制作了30×30单元的超材料吸波体阵列。样件如图7(a)所示，图7(b)为金相显微镜下的加工样品。与设计值相比，样品的整体加工误差控制在±3 μm以内。

(a) (b)图7 超材料吸波体加工成品(a)加工样品 (b)吸波体金相显微图Figure 7. Fabricated metamaterial absorer(a)Fabricated sample (b)Microscopic image of the absorber

图8为基于自由空间法搭建的样品测试系统，整个测试系统主要由矢量网络分析仪、喇叭天线以及连接两者的VNA(Vector Network Analyzer)扩频模块组成。在测试过程中，为了排除环境中的各种反射干扰，先行测试了与样品相同尺寸铜板的反射情况，并将其测试结果作为初始化校准值。而后，在与铜板相同的位置处对所加工的吸波体阵列进行了反射测试。

图8 测试装置Figure 8. Measurement device

最终去除背景干扰得到的测试结果如图9和图10所示。当偏置电压从0 V逐渐增加至30 V时，吸波体的谐振频率也随之由117.95 GHz降至101.5 GHz，实现了谐振频率的动态可调，综合可调率约为13.9%，且整个频移过程中，吸收率始终维持在90%以上，与仿真分析的结果一致。此外，由于初始状态的液晶分子对偏置电压的改变更为敏感，所以当偏置电压在0～7.5 V范围内变化时,吸波体展现了较强的频率可调性。之后，随着偏置电压的持续增加，吸波体的可调性显著减弱。

图9 不同偏置电压下测得的吸收曲线Figure 9. Measured absorptivity under different bias voltages

图10 不同偏置状态下的仿真与实测吸收曲线Figure 10. Simulated and measured absorptivity at unbiased and full-biased states

4 结束语

本文设计了一种基于液晶及超材料的电控可调谐太赫兹吸波体，并从理论和实验两方面对其加以分析与验证。最终的结果显示，通过改变施加在金属贴片和金属反射层间的偏置电压的大小，所设计吸波体的吸收频点最大可实现101.5～117.95 GHz范围内的动态调控，综合可调率达到13.9%，并且在整个工作频段内，吸收率均维持在90%以上。以上特性提示本文所设计的超材料吸波体在太赫兹波调控、探测等领域具有一定的应用前景。