穿孔矩形谐振器四频段太赫兹超材料吸收器用于高性能传感

摘要

基于金基底上穿孔矩形谐振器和薄损耗介质层的单尺寸超材料设计产生四个尖锐太赫兹吸收峰。三个峰值平均吸收率达97.80%，第四峰拥有卓越品质因数98.33。详细近场分析揭示不同谐振模式，第四频段优值（FOM）达101.67——显著高于可比太赫兹吸收器。这种紧凑多频段吸收器在先进传感、成像和能量收集应用中极具前景。

背景

具有亚波长或深亚波长特征的超材料解锁了天然材料无法提供的电磁响应。这些工程响应支撑从隐身到完美吸收器的广泛器件。超材料吸收器因其在宽频范围实现近完美吸收能力而备受关注。

波士顿学院团队早期工作开创用损耗介质夹在电环谐振器和金属切割线之间的微波吸收器。后续研究探索各种谐振器几何形状——折叠线、十字形、方形补丁——但多数设计表现单频段吸收，限制实用性。多频段吸收器通过同平面或层叠配置组合多个谐振器实现双、三、四频段性能。然而，这些方法通常需每频段不同谐振器尺寸，增加设计复杂度和制造成本。

本文证明单尺寸谐振器经精心设计穿孔扰动可支持四频段吸收。金镜上穿孔矩形谐振器，经损耗介质隔离，展现四个窄带峰值，具有高吸收和卓越Q因数。通过近场分析阐明物理机制，评估传感能力，揭示体折射率灵敏度3.05 THz/RIU，最高Q模式FOM达101.67。

方法

图1a显示单元侧视图：穿孔矩形谐振器（图1b）置于9 µm厚损耗介质（ε=3(1+0.05i)）和0.4 µm金基底（σ=4.09×10⁷ S/m）上方。谐振器尺寸l=80 µm，w=40 µm；穿孔尺寸l₁=25 µm，l₂=35 µm，偏移δ=18 µm。晶格常数Pₓ=100 µm，Pᵧ=60 µm。

用FDTD Solutions有限差分时域仿真。正入射平面波（E沿x轴）0.2-3.0 THz扫描照亮结构。x、y向周期边界条件，z向完美匹配层。

结果与讨论

图2a显示吸收光谱：四个明显峰值分别位于0.84 THz（A）、1.77 THz（B）、2.63 THz（C）、2.95 THz（D）。前三峰平均吸收97.80%；第四峰吸收60.86%，带宽（FWHM）0.03 THz，Q因数98.33。其他三峰Q因数分别为6.46、13.62、26.32。

对比穿孔谐振器与无穿孔对应结构（图3a,b）显示，穿孔引入两个额外高Q模式（B和D）同时保留基频和三阶模式（A和C）。近场图（图4）证实模式A和C对应穿孔结构一阶和三阶局域共振，而模式B和D源于穿孔引入的不对称性，分别将场局域化在谐振器右侧和左侧区域。

场分布（图4）显示一阶模式（A）和三阶模式（C）电场沿谐振器边缘集中，而新模式（B和D）分别将场局域化在右侧和左侧区域。这种近场重分布是单一谐振器几何实现四频段响应的关键机制。

扩展仿真至8 THz（图2b）确认除已识别四模式外无额外高吸收峰，凸显单谐振器四频段设计鲁棒性。

为评估传感性能，吸收器覆盖不同折射率介质（图5a）。模式C和D随n明显位移，模式A和B近乎静止。灵敏度分别为模式C 1.15 THz/RIU、模式D 3.05 THz/RIU。对应FOM（S/FWHM）分别为11.5和101.67——远超已报道太赫兹吸收器。这种高FOM结合模式D高Q因数，使结构成为气体、材料、生物医学传感理想选择。

结论

我们提出一种基于金基底穿孔矩形谐振器和损耗介质间隔层的单尺寸四频段太赫兹吸收器。器件提供四个窄带共振，三峰吸收超97.80%，第四峰Q因数达98.33。近场分析将各模式归因于不同局域共振，确认穿孔产生额外频段的作用。吸收器表现体折射率灵敏度3.05 THz/RIU，最高Q模式FOM 101.67，超越现有太赫兹传感器。这些特性——高Q、大FOM、紧凑设计——使该结构高度适用于气体检测、材料表征、生物医学诊断。