超窄离散频率双频和三频太赫兹超材料吸收体

摘要

多频段超材料吸收体（MPAs）因其近乎完美的吸收、亚波长厚度和可定制响应而备受关注。然而，传统设计的谐振峰间距较宽，导致显著的非谐振损耗和光谱信息遗漏。本研究提出一种双频太赫兹MPA，由两层金条/介质层背靠连续金膜组成，实现仅相隔0.30 THz的两个≈100%吸收峰。相对频率间距Δ = 2(f₂–f₁)/(f₁+f₂)为13.33%，仅为既往报道最小值的四分之一。通过调节条带长度，Δ可降至6.45%。扩展至三频段结构——增加第三对金条/介质层——可获得三个≈100%吸收峰，峰间间距分别为0.14 THz和0.17 THz，对应相对间距6.57%和7.22%。这些超窄离散间距为探测紧密相邻频段中的隐藏光谱特征开辟新可能。

引言

超材料完美吸收体（MPAs）是抑制反射和透射、在目标频率实现近全吸收的人工结构。其优势在于超薄尺寸（常<λ/35）、可调带宽和通过几何调控谐振[1-12]。波士顿学院团队[13]开创性工作引入电环谐振器/介质间隔层/金属背板三明治结构，在11.5 GHz实现>88%吸收。尽管取得进展，许多MPAs仍存在窄角度接受、偏振依赖和单频段操作等局限，限制了其在传感、成像和探测中的实际应用[14-23]。

为克服这些短coming，研究者通过结构优化探索宽角、偏振不敏感和多频段MPAs。一维堆叠阵列[18]和嵌套金属环谐振器[19-23]等技术成功产生多重谐振。此类多频段器件对有害物质检测、光谱成像和选择性辐射测量尤为重要[24-30]。

实现多频段MPAs主要有三大策略：(1)单元胞内共面排列不同尺寸谐振器[19-26]；(2)垂直堆叠不同谐振层[27-30]；(3)两者混合[31-32]。虽有效，但这些方法通常导致相邻峰间频率分离大（相对值常>50%）。大间距留下大量非谐振区域，损害器件分辨紧密光谱特征的能力。因此，降低相对离散距离Δ对于依赖分辨细微频率差异的应用至关重要。

本文演示了具有极小Δ值的双频和三频太赫兹MPAs。通过设计金条谐振器和介质间隔层几何结构，双频器件实现0.30 THz间距（Δ=13.33%），三频配置达0.14-0.17 THz（Δ≈6-7%）。这些低Δ值源于构成单频谐振固有的窄带宽，实现高分辨光谱分辨。

实验方法

实现小Δ要求每个构成谐振具有窄半高全宽（FWHM）。我们首先设计标准三明治结构的单频MPA：金(Au)矩形条带（长l=39 µm，宽w=8 µm，厚0.4 µm，电导率4.09×10⁷ S m⁻¹）置于2 µm介质层（ε=3(1+i0.001)）之上，背靠连续Au底板。单元胞周期为60 µm。

电磁仿真采用Lumerical FDTD Solutions，横向方向周期性边界条件，传播轴向完全匹配层。吸收率计算为A=1-R，因底板使透射可忽略。此框架用于评估各设计的吸收谱和场分布。

结果与讨论

单频MPA在2.25 THz呈现尖锐谐振，吸收率≈100%，带宽0.06 THz（中心频率2.67%）。品质因数Q=f/Δf达37.5，表明超窄响应。场分析显示磁场|Hy|集中在介质间隔层内，电场|E|在条带边缘强增强——确认磁谐振为主要吸收机制。

基于此窄带基础，我们垂直堆叠两对Au条带/介质层于底板上构建双频MPA。条带长度l₁=36 µm和l₂=39 µm，介质厚度t₁=1.4 µm和t₂=2 µm。吸收谱（图3a）显示两个≈100%峰位于2.10 THz和2.40 THz，带宽分别为0.05 THz（2.00%）和0.09 THz（3.75%）。相对间距Δ=13.33%——远低于既往报道。场图表明第一谐振源于第二介质层磁耦合，第二谐振源于第一介质层，证实条带长度对调谐各峰的作用。

通过改变l₁和l₂，Δ可从17.41%调至6.45%。例如将l₂减至36 µm可得最小Δ=0.15 THz（6.45%）。这种可调性凸显设计的实用灵活性。

将堆叠扩展为三频MPA——增加第三对Au条带/介质层，长度l₁=34 µm、l₂=36 µm、l₃=39 µm，介质厚度t₁=1.2 µm、t₂=1.4 µm、t₃=2.8 µm——产生三个≈100%峰，分别位于2.06 THz、2.27 THz和2.51 THz。峰间间距0.21 THz和0.24 THz对应Δ值9.70%和10.04%。非谐振吸收保持<32%。场分析确认每个谐振对应其各自介质层的磁耦合。

调节条带长度可精确控制Δ。调整l₁主要位移第三模式，使最后两峰间Δ从12.66%降至7.22%。类似地，改变l₃或l₂调节前两峰间距。这证明了设计针对特定应用光谱定制的通用性。

结论

我们制备了具有超窄离散频率的双频和三频太赫兹MPAs。双频器件实现两个≈100%吸收峰，间距0.30 THz（Δ=13.33%），通过调节Au条带长度可降至6.45%。三频结构产生三个≈100%峰，间距0.21 THz和0.24 THz（Δ≈9-10%），同样可通过几何控制调谐。这些低Δ值通过高Q单频谐振和垂直堆叠实现，使常规多频MPAs中被掩盖的光谱特征得以分辨。所呈设计为高分辨率传感、成像和光谱应用提供了前景，这些应用要求分辨紧密相邻频率。

缩略语

FWHM:

半高全宽

MPAs:

超材料完美吸收体

Q:

品质因数