基于超材料可调谐太赫兹宽带吸收器的研究

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随着太赫兹光源和探测技术的不断发展和成熟,太赫兹功能器件的相关研究也得到了迅速的发展,太赫兹吸收器作为重要的太赫兹功能器件之一,因其具有优良的吸收特性目前广泛应用于电磁隐身和太赫兹成像领域之中。超材料是一种人工设计亚波长周期单元结构材料,具有与自然材料不同的特性,广泛应用于光学、电磁学等领域。研究可调谐、高吸收性能、偏振不敏感和大角度入射的宽带吸收器是研究热点。将超材料应用于太赫兹吸收器,具有重要的学术意义和实用价值。本文依据多频谐振叠加原理,设计了一款“H”形结构的超材料宽带吸收器。通过仿真计算可以得出,该吸收器在5.53THz和5.78THz两个峰值处吸收率分别为99.5%,96.5%,在5.4THz-5.9THz内实现了宽带吸收,频带内的吸收率为90%以上。虽然其结构简单易于加工,但该吸收器的吸收性能会受到入射波偏振态的影响。为了解决吸收器偏振敏感问题,设计了一款圆形金属片多层结构的宽带吸收器。通过仿真计算表明,三个吸收频点分别为6.04THz、6.53THz、6.69THz,每个吸收频点对应的吸收率分别为99.91%、99.46%、99.89%,宽带吸收范围为5.86THz-7THz,宽带内的吸收率达到了95%以上。该吸收器除了具有偏振不敏感特性外,其吸收性能更优越、宽带范围更广,在大角度入射下也依然具有较好的宽带吸收性能,但多层结构的设计会使得在生产加工上具有一定的难度。最后采用二维可调谐石墨烯材料,设计了一种可调谐超材料太赫兹宽带吸收器。该吸收器介质层顶部谐振结构由石墨烯圆形贴片和方形环组合而成,仿真结果表明,该吸收器在7.89THz处的达到峰值吸收,吸收率为96.5%,在7.08THz-9.14THz宽带范围内实现2.06THz的宽带吸收,频带内吸收率为95%以上。当外加电压使该吸收器表面石墨烯费米能级Ef达到1.8e V高费米能级状态下时,该吸收器的吸收率在太赫兹波频段内均低于20%,因此,该吸收器可以在吸收器/反射器之间进行工作模式切换,极大提高了其应用范围。该吸收器采用三层架构结构,更为简单易于加工,且同时满足可调谐、偏振不敏感和大角度入射等优越特性,在电磁隐身这一领域具有广泛的应用前景和重要价值。
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