双/三波段太赫兹超材料吸收器的窄离散距离设计

介绍

超材料完美吸收体（简称 MPA）作为光吸收器件的重要组成部分，因其具有许多优于其他材料的优势，例如~ 100% 吸收、超薄介电层厚度、窄吸收带宽和自由度，因此吸引了大量研究活动。图案结构设计 [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12]。 MPA 的第一个设计概念 [13] 由电环谐振器、绝缘介质层和金属条的夹层结构组成，由波士顿学院的一个研究小组于 2008 年提出。在11.5 GHz的频率下，可以通过实验获得高于88%的吸收率。该器件的介质厚度仅为吸收波长的 1/35 左右，远小于以往的吸收器件。具有这些功能的 MPA 可用于辐射热计、传感、检测和成像。然而，所提出的海洋保护区存在接收角窄、偏振灵敏度高和单波段吸收响应等缺点。

为了克服这些问题 [14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24]，许多工作被建议开发广角、偏振不敏感、多波段甚至宽带通过合理优化结构设计的海洋保护区。例如，参考文献中提出了基于共振结构的一维堆叠阵列的广角光学 MPA。 [18]。嵌套金属环谐振器被证明可以获得多波段谐振吸收 [19,20,21,22,23]。在吸收装置、多波段 MPA 的开发和研究过程中，可用于某些危险品（炸药、雷管和酒精）的检测、光谱成像（各种类型的受控刀具）、传感和选择性辐射热计，受到极大关注 [19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30]。

一般来说，可以采用三种方法来实现多频段海洋保护区。第一种方法，通常称为共面构造方法，由超单元结构中的多个不同尺寸的谐振器形成[19,20,21,22,23,24,25,26]。第二种称为垂直堆叠方法，由多个离散维度元素的交替堆叠组成 [27,28,29,30]。第三种是前两种方法的结合[31, 32]。尽管这些方法可以蓬勃发展并发展多波段海洋保护区，但相邻吸收峰的共振频率的离散距离非常大。两个相邻频率的离散距离很大，不可避免地会忽略许多隐藏在非共振区域，即离散区域中的信息。因此，为了避免信息丢失，需要克服多波段海洋保护区离散距离大的问题。虽然通过适当的结构优化可以减少多波段海洋保护区的离散距离，但它们的非共振吸收面积较大（大于60%），应称为宽带海洋保护区[33,34,35,36 ,37,38,39,40]，而不是多波段 MPA。众所周知，多频段和宽带海洋保护区在应用上有着本质的不同。因此，在降低离散距离的优化中，必须保证偏共振区的低吸收率（小于60%）。

实际上，相对离散距离应该比离散距离更有意义，因为它可以反映两个相邻频率的真实信息。两个相邻峰的相对离散距离(△)可以定义为△ =2(f 2 − f 1)/(f 1 + f 2), 其中 f 1 和 f 2 是两个相邻峰值的频率。为保证△> 0，f的频率 2 应该高于 f 1、根据这个定义，以往多波段海洋保护区的最小△值一般不低于50%[19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30]，远不能令人满意地探索和调查相邻频率区域的隐藏信息。因此，发展频率非常接近或△值较低的多波段海洋保护区是非常合理的。

在本文中，我们介绍了由连续 Au 平面支持的 Au 条和绝缘介电层的双层堆叠形成的双波段太赫兹 MPA 的低 △ 值。获得了两个近乎完美的吸收峰，离散距离仅为 0.30 THz。装置的△值为13.33%，仅为之前MPA最小值的1/4，△值可通过金条的尺寸变化进行调整。其△值可降至仅6.45%，远低于以往的海洋保护区。双频MPA离散距离窄或△值偏低是由于各谐振带的超窄带宽造成的。此外，我们通过再堆叠一个 Au 条来呈现两个低 △ 值的三频 MPA。可以实现三个近乎完美的吸收峰中只有 0.14 THz 和 0.17 THz 的两个窄离散距离；三频海洋保护区相邻频率△值分别为6.57%和7.22%，均小于前人作品。这些MPA的低△值可以在偏共振吸收领域的一些隐含信息的研究中找到许多应用。

方法/实验

一般来说，单波段MPA的带宽（指FWHM，半峰全波）比较宽，可以达到中心谐振频率的20%，因为超材料的谐振响应很强。这些单波段峰的组合形成多波段海洋保护区不可避免地具有较大的离散距离或△值。这就是为什么以前的多波段海洋保护区的△值很大的原因。获得低△值的关键是设计单波段海洋保护区的窄带宽。在此，我们首先设计了这种单波段 MPA。如图1a所示，采用由Au谐振器和一定厚度的Au反射镜支撑的介电材料形成的常见夹层结构来实现单波段吸收。 Au谐振器是矩形条状结构，见图1b。它的长度为 l =39 μm，w的宽度 =8 μm，厚度0.4 μm，电导率4.09 × 10 ⁷ 米/米。 MPA 的单位周期为 P =60 μm。介质板的厚度为 t =2 μm，介电常数为3(1 + i 0.001）。

a 分别展示了单频、双频和三频 MPA 的侧视图 , c , 和 d; b 金条谐振器俯视图

为了展示所建议设备的共振性能并解释所涉及的物理机制，我们使用基于有限差分时域算法的商业模拟软件 FDTD Solutions 进行了数值计算。在计算过程中，在x的两个方向上都利用了周期性边界条件 - 和 y - 轴来表征晶胞的周期性排列，而沿 z 的方向采用完美匹配的层 -axis（即光传播方向）以消除不必要的散射。吸收（A ) 可以由 A 给出 =1 – T − R ，其中 T 和 R 分别是超材料吸收体的透射和反射。由于底部金属膜的厚度大于入射光的趋肤深度，透射率T 超材料吸收体的吸收系数为零。结果，吸收A 可以简化为A =1 − R .当反射 R 被完全压制。

结果与讨论

单波段MPA在平面波照射下的吸收曲线如图2a所示；获得了在 2.25 THz 频率处对单个共振峰的 ~ 100% 吸收。该器件的带宽为0.06 THz，仅为中心谐振频率的2.67%，约为以前单频MPA的1/8 [1,2,3,4,5,6,7,8,9 ,10,11,12,13]。此外，Q （定义为谐振频率除以带宽）器件的值最高可达 37.50。超窄带宽（或高Q MPA 值）不仅有助于器件本身的应用，而且有助于多波段 MPA 的低△值设计。图 2b、c 和 d 提供了共振峰的场分布。如图所示，其磁场 (|H 图2b中的y|)主要集中在MPA的绝缘介质层中，沿长轴在Au谐振器的两侧可以观察到强电场增强（见图2c，d）。这些场分布特征表明，MPA窄带宽光吸收大是由于磁共振[1,2,3,4]。

a中提供了平面波辐照下单波段MPA的吸收曲线; b , c , 和 d 给出 |H 的场分布 y|, |E |, 和 E z 分别在 2.25 THz 的峰值处

我们接下来探讨这些窄带 MPA 的组合是否有能力实现多波段 MPA 的低△值。作为一种常用的方法，垂直堆叠的设计理念被用来获得多波段的海洋保护区。最简单的一个例子是双波段吸收的情况。图 1c 给出了双带吸收结构模型的侧视图。如图所示，两层金属条形谐振器和绝缘介质板交替堆叠在金属接地平面上。两条金条的长度分别为l 1 =36 μm 和 l 2 =39 μm；它们的宽度固定为 w =8 μm。介质板的厚度为t 1 =1.4 μm 和 t 2 =2 μm。双波段MPA的其他参数，包括单位周期、板坯介电常数、厚度、Au条的电导率等与单波段MPA相同。

双波段 MPA 在平面波照射下的吸收曲线如图 3a 所示。与图 2a 中单波段 MPA 的情况不同，在 2.10 THz 和 2.40 THz 频率下实现了两个吸收率 ~ 100% 的共振峰。两个峰值的带宽分别为 0.05 THz 和 0.09 THz，分别仅为相应谐振频率的 2.00% 和 3.75%。 Q 两个峰值的值分别为 42.00 和 26.67。此外，两个峰的偏共振吸收非常低，小于 12%。这些特征表明可以清楚地区分具有窄带宽的两个峰。重要的是两个峰值的离散距离仅为0.30 THz，其△为13.33%，比之前的工作要小[19,20,21,22,23,24,25,26,27, 28,29,30]。双频MPA的低△值在许多工程技术领域具有广阔的应用前景。分析两个吸收峰的磁场可以得到它们的共振机制|H y|。字段 |H 是|因为第一个峰值主要集中在双频 MPA 的第二个介电板上，而第一介电层中的场的百分比非常小（见图 3b）。场分布特性证明第一吸收模式是由第二介质层的磁共振引起的，或者第一峰值频率是由金属带长度l引起的 2（见图3e）。与第一谐振模式的情况不同，|H 是|第二模式的场主要分布在第一层介质板中（见图3c），这表明该模式来自第一层介质板的磁共振，或者可以通过改变其大小来调整其共振频率条长l 1（见图3d），从而调整双频MPA的△值。

双波段MPA在平面波辐照下的吸收曲线如图a; b 和 c 提供 |H 是|分别为双频 MPA 第一和第二模态的场分布。不同长度l下双波段MPA的吸收曲线 1 和 l 2 在 d 中演示 和 e , 分别

双频MPA的△值可以通过改变Au条的尺寸来调整，因为两种模式的频率主要取决于相应的条尺寸。例如，对于长度 l 第一层Au条的变化（见图3d），随着l的增加，第二模态的频率逐渐降低 1，而第一模式的频移可以忽略，因为它的大小是固定的。由于第二模式的频移，两个峰值的离散距离发生变化。更具体地说，离散距离可以从 l 中的 0.41 THz 减小 1 =33 μm 到 0.30 THz in l 在l中1 =36 μm和0.23 THz 1 =39 μm。双频MPA的△值也可以从l的17.41%下降 1 =33 μm 至 l 中的 13.33% 1 =36 μm 和 l 中的 10.38% 1 =39 μm。也就是说，条长l 1 更改可以减少离散距离和 △ 值。同理，条长l 2的变化只影响其对应的共振频率，即第一共振模式，见图3e。双频MPA的离散距离和△值均随着l而减小 2 降低因为第一模频率随着l的降低 图 2 逐渐接近第二个吸收峰，如图 3e 所示。当 l 2 =36 μm，离散距离最小，为0.15 THz。此时，其△值仅为6.45%，小于以往报道。这些结果证明，通过调整金条的尺寸，可以控制双频MPA的离散距离（或△值）以满足不同应用的要求。

我们进一步研究了多一个 Au 条（即三层结构）的堆叠是否可以实现两个低 △ 值的三频 MPA。图 1d 显示了 MPA 三层结构模型的侧视图，该模型由金镜顶部的三对金条/电介质板组成。 Au 条的长度为 l 1 =34 μm，l 2 =36 μm，并且l 3 =39 μm。电介质板的厚度为 t 1 =1.2 μm，t 2 =1.4 μm，并且t 分别为3 =2.8 μm。 Au条的宽度都是w =8 μm。三层MPA的其他参数与上面设计的相同。三层MPA在平面波照射下的吸收曲线如图4a所示。可以发现在 2.06 THz、2.27 THz 和 2.51 THz 频率下具有 ~ 100% 吸收率的三个离散峰。前两个和后两个谐振模式中相邻峰的离散距离分别为0.21 THz和0.24 THz。前两个和后两个模式的△值分别为9.70%和10.04%，均小于多波段海洋保护区的值。除了狭窄的离散距离之外，三频 MPA 的偏共振区域的吸收率相对较低，不超过 32%（见图 4a）。结果表明，可以清楚地识别三个非常接近的峰，可用于传感、检测、成像和应用于其他任务。 |H 是|提供了三个吸收峰的场分布来分析三频 MPA 的共振机制。如图 4 所示，|H 是|三频 MPA 的第一、第二和第三模式的场分布主要可以在 t 的介电层中找到 3、t 2、t 1，而其他介电层中的场可以忽略不计。例如，对于图 4b 中的第一种模式，t 介电层中的场 2 和 t 1 可以忽略，并且 t 的介电层中的场 2 和 t 对于图 4d 中的第三种模式，图 3 可以忽略不计。这些分布特征清楚地表明三个吸收峰都是由磁共振引起的。更具体地，第一、第二和第三模式归因于第三介电层t的磁共振 3、第二介电层t 2、第一介电层t 分别为1，或者第一、第二和第三模式的频率取决于l的Au条长度 3、l 2、l 1、分别。

a给出了平面波辐照下三频MPA的吸收曲线; b , c , 和 d 显示 |H 是|分别为三频 MPA 的第一、第二和第三模式的场分布。不同长度l下三波段MPA的吸收曲线 1、l 2、l 3 在 e 中演示 , f , 和 g , 分别

三频MPA的△值可以通过调整金带长度来控制。图4e给出了不同长度l情况下三频MPA的吸收曲线 1. 如您所见，l 1 的变化主要影响第三模态频率，而前两种模态的频移可以忽略不计，与理论预测一致。由于第三模态的频率变化，我们可以调整三频 MPA 后两个模态的△值。最后两种模式的△值可以在l中从12.66%开始调整 1 =33 μm 至 l 中的 10.04% 1 =34 μm，在 l 中为 7.22% 1 =35 μm。前两种模式的△值也可以通过调整长度l来控制 3（见图4g）。 l 前两种模式的最小离散距离为 0.16 THz 3 =38 μm，其△值为7.31%。此外，我们可以通过缩放长度l来调整前两种和后两种模式的△值 2，即第二模式的频率（见图4f）。值得注意的是，前两种模态和后两种模态的△值变化是相互制约的，因为我们只改变了第二种模态的频率。例如，对于 l 1 =37 μm（见图4f中的蓝线），前两种模式的离散距离最小值为0.16 THz，而后两种模式的最大值为0.29 THz。

结论

总之，提出了由两对由金膜支持的金条/电介质板组成的双波段太赫兹 MPA 的窄离散距离。实现了离散距离为0.30 THz的共振峰的两个~ 100%吸收率，双频MPA的△为13.33%。双波段吸收的机制是由两种不同频率的磁共振叠加效应引起的。我们可以通过采用不同长度的Au条进一步调整双频MPA的△值。 △ 值可以降低到只有 6.45%，远低于之前的结果。此外，通过再堆叠一对条带/电介质证明了三频 MPA 的两个狭窄的离散距离。实现了离散距离为 0.21THz 和 0.24THz 的共振峰的三个 ~ 100% 吸收率。相邻两个频率（即前两个和后两个的模态）的△值分别为9.70%和10.04%。与双频吸收的情况类似，三频MPA也具有通过控制Au条的长度来调节相邻频率的△值的能力。窄离散距离或低△值的多波段海洋保护区在许多领域很有前景，例如研究两个非常接近的频率的一些隐含信息。

缩写

FWHM：

半高全波

海洋保护区：

超材料完美吸收体

问：

品质因数