一种吸收效率可调的电磁超构材料设计

师璟桐，卢亦桐，王鹏博，周前柏，赵君

（西安航空计算所， 陕西 西安 710000）

0 引言

超构材料（Metamaterials）不同于自然界中常见的天然材料，它是一种具有超常的物理特性的人工复合材料或复合结构，从原子和分子设计出发，经过繁复的人工设计及制备过程，形成一种复合型或混合型的材料体系，这种材料体系往往具有人造微结构单元周期排布的形式。超构材料的概念从提出至今，已经有50多年的时间。最初超构材料主要应用于负介电常数和负磁导率的研究［1-5］。而后，超构材料被广泛应用于各类学科领域，譬如隐身斗篷［6］，异常折反射［7］，完美吸收［8］，相干控制器件［9］，等等。

如今，超构材料与各学科相交融，开拓了各类新型研究方向。在这其中，研究者们开创了一个新的课题——相干完美吸收器件（Coherent Perfect Absorber，CPA）。相干完美吸收器采用两个或多个入射波组成的光路系统，可以调控光波、电磁波、声波的散射和吸收。近年来，相干完美吸收器的研究成果层出不穷，包括超表面结构、石墨烯结构、增益/损耗结构等。由于相干完美吸收是干涉和损耗相互作用的现象，因此在各类有关波动的研究领域都有较好的发展前景，比如声学、偏振学和量子光学。

相干控制器件最简单且最具说明性的例子便是四端口系统，这一系统可以对两束相向入射（即传播方向相反）的相干光束实现相干控制。一般来说，相干控制系统都是为了调制某一种电磁现象的效率，即放大器，或者可以作为光开关应用。超构材料相干控制器件可以调节偏振转换效率、异常折反射效率及圆二向色性等。

本文介绍了一种复合超构材料相干吸收器件，该器件可在微波段内实现多频相干吸收并使用相干控制的方法对吸收效率进行调节。

1 复合超构材料的设计

本文介绍一种复合超构材料器件（如图1），表示这种材料的结构单元及由结构单元组成的周期性结构阵列。

图1 复合超构材料结构示意图

本文主要研究的是微波段内的相干完美吸收，所以制备该材料器件的方法为将由铜制成的正方形开口环刻蚀在FR4材料上。如图1所示，每一个结构单元包含4个金属正方形开口环，基底材料呈两侧对称分布，基底同侧呈90°复合设计，旨在当x偏振信号和y偏振信号入射时都产生电磁响应，以此增加吸收谐振峰，实现多带吸收。为在微波段内实现多带吸收，材料结构单元的周期在15~30 mm范围内。

2 复合超构材料吸收特性

首先，对复合超构材料的单束入射信号吸收特性进行仿真分析。如图2所示，分别表示单束x偏振信号和单束y偏振信号入射该材料结构时的吸收效率曲线，在3~9 GHz的频段内，两种偏振方向的线偏振信号分别入射到超构材料上，都会产生3个吸收谐振峰。图2（a）表示当x偏振信号入射超构材料时的吸收效率曲线，可以看到分别在3.91 GHz处、5.92 GHz处、7.8 GHz处产生了3个吸收谐振峰，其中3.91 GHz处的吸收效率接近0.4，5.92 GHz和7.8 GHz处的吸收效率都超过0.5。图2（b）表示当y偏振信号入射超构材料时的吸收效率曲线，y偏振信号入射超构材料的工作频段也在3~9 GHz，3个吸收谐振峰分别产生在3.87 GHz处、5.81 GHz处和7.9 GHz处且3个吸收频率点的吸收效率都超过了0.5。由图2可以看出，在3~9 GHz的工作频段内，超构材料在两种偏振信号入射下都产生了3个吸收谐振峰，但是谐振频率点略有不同。

图2 复合超构材料单束微波信号入射下的吸收特性

为了更直观地了解超构材料在谐振频率点处的电磁响应模式，可以通过超构材料在谐振频率处的电场进行分析，图3表示复合超构材料的结构单元在每一个谐振频率点处的电场z方向分量及金属开口环上表面电流的分布。当x偏振信号和y偏振信号分别入射材料时，在工作频段内都会产生3个吸收峰，并且这6个吸收峰的频率点两两对应互相接近，所以可以将频率接近的吸收谐振峰对应分析。如图3所示，当x偏振信号入射时，在3.91 GHz谐振频率点处结构单元的电流主要分布于左侧开口环的长弧上，并且根据电场图可知，此时可类似于一个电偶极子，相对应地当y偏振信号入射时，在3.98 GHz处的结构单元的电流主要分布于右侧开口环的长弧上，此时也可以类似于一个电偶极子，这两种情况下超构材料的谐振模式是相同的。继而以同样的方法可知，x偏振信号入射时5.92 GHz处的电磁模式与y偏振信号入射时5.81 GHz处的电磁模式相同，电流主要分布于结构单元内的开口环短弧上，此时也都可类似于一个电偶极子。x偏振信号入射时的7.8 GHz处和y偏振信号入射时的7.9 GHz处的电磁模式相同，此时电流主要分布于超构材料开口环的长弧上，都可类似于一个电四极子。

图3 复合超构材料在谐振频率点处的电场z方向分量及金属环上表面电流分析

3 复合超构材料的相干控制研究

由上个章节的仿真结果可知，在单束信号入射旋转复合超构材料的情况下，所得到的吸收峰值都在0.5左右，可以由此推测出对其进行相干控制，则调制幅度较为理想。通过改变两束相干入射信号之间的相位差，使得超构材料在相干信号束形成的驻波的波腹和结点间移动，以此来达到调制吸收效率的效果。相干控制系统由图4所示，两束相干入射信号分别为控制波和信号波，在调制时，需要该表控制波的相位调制两束相干信号的相位差。

图4 复合超构材料的相干完美吸收示意图

本文定义的电场驻波的波腹和波节与磁场驻波的波节和波腹相对应。讨论超构材料在电场驻波中的情况，当超构材料处于电场驻波的波腹位置，即两束相干信号的相位差为0，电场分量就会与超构材料产生较强的相互作用，电场强度与单束信号入射时相比翻倍，在这种情况下的吸收会增强，当超构材料处在电场驻波的波节位置，即相位差为180° ，这种情况下的电场分量和超构材料之间的相互作用很弱，透射效果会大大增强，对电磁波的吸收就会减小。与之相反，当超构材料在磁场驻波的波腹处，磁场分量和超构材料相互作用很弱，吸收也很弱，而在磁场驻波的波节处，磁场分量与超构材料相互作用很强，吸收便也增强。在这里定义两束相干入射信号的强度都为0.5，这样总强度为1，出射强度在0~1。

增加一个入射端口并定义控制信号的相位改变后，对旋转复合超构材料进行相干完美吸收的仿真，得到仿真结果如图5所示，是当两束相干信号的相位差分别为0°和180°时超构材料所表现出来的吸收特性。图5（a）表示的是x偏振信号入射的相干吸收曲线，3个吸收峰和单束信号入射时一致，分别是3.91 GHz、5.92 GHz、7.8 GHz，并且由于相干控制的调制作用，使这3个吸收峰的大小都有所改变，当相位差角为180° 时，3.91 GHz处的吸收效率达到0.7 GHz，5.92 GHz处的吸收效率达到0.9 GHz，7.8 GHz处的吸收效率接近1，几乎为完全吸收；而当相位差角为0时，这3个吸收峰的峰值较小，5.92 GHz处的吸收率在0.1左右，3.91 GHz处和7.8 GHz处的吸收效率都在0.05以下，接近零吸收，这就说明这3个频率点处都是由于电磁波的磁场分量与超构材料产生了相互作用，在相干信号驻波的波节处吸收效率最高。此外，除了这3个明显有调制效果的吸收峰，在5.6 GHz处有一个调制出的吸收峰，与前3个吸收峰不同，这一频率点上是当相位差角为零吸收效率调制为最高，在0.28左右，相位差为180° 时吸收效率接近0，这就说明这一频率点是电场分量与超构材料产生相互作用。图5（b）表示的是当y偏振信号入射旋转复合超构材料时的相干吸收谱线，能得到明显调制效果的吸收峰出现在5.81 GHz处和7.9 GHz处，当相位差为180° 时，这两个频率点的吸收效率都接近1，几乎为完美吸收，当相位差为0时，这两个频率点的吸收效率都在0.1左右，调制幅度较大，而在3.87 GHz处，调制幅度较小，相位差为180° 时，吸收效率在0.63左右，相位差为0时，吸收效率在0.35左右，因此这3个频率点也都是磁场分量与超构材料之间的相互作用，除此以外，在3.83 GHz处有一个较小的吸收峰，当相位差为180° 时，吸收效率接近于0，当相位差为0时，吸收效率在0.39左右，这是电场分量与超构材料之间的相互作用。

图5 复合超构材料在入射信号相位差分别为0和时的吸收曲线

图6 复合超构材料的相干完美吸收周期性变化曲线

4 结论

本文设计了一种复合超构材料，这种材料可以在微波段内实现多频吸收，并且吸收效率可以通过相干控制的方法得到有效调控。

复合超构材料的工作频段为3~9 GHz，x偏振信号和y偏振信号分别入射到超构材料上，都会产生3个吸收谐振峰。由仿真结果可知，单束信号入射超构材料时吸收频率点处的吸收频率都约为0.5，通过相干控制仿真可以使得吸收频率点处的吸收效率得到有效调控，部分频率点处的吸收效率可以实现零吸收到完美吸收之间的调控。

传统双层开口环相干吸收器的吸收谐振频率点较少且依赖入射信号偏振态。本论文设计复合超构材料有效增加了微波段内的吸收谐振频率点。相干完美吸收器件相较于传统吸收器件，不需要改变材料的结构就可以实现对吸收效率的灵活调控，其在航空、航天、船舶、光学开关设计、光信息存储收集、隐身材料等方面都有广阔的应用前景。