搜索

x

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于超材料的偏振不敏感太赫兹宽带吸波体设计

邹涛波 胡放荣 肖靖 张隆辉 刘芳 陈涛 牛军浩 熊显名

引用本文:
Citation:

基于超材料的偏振不敏感太赫兹宽带吸波体设计

邹涛波, 胡放荣, 肖靖, 张隆辉, 刘芳, 陈涛, 牛军浩, 熊显名

Design of a polarization-insensitive and broadband terahertz absorber using metamaterials

Zou Tao-Bo, Hu Fang-Rong, Xiao Jing, Zhang Long-Hui, Liu Fang, Chen Tao, Niu Jun-Hao, Xiong Xian-Ming
PDF
导出引用
  • 本文设计了一种基于超材料的偏振不敏感太赫兹宽带吸波体. 吸波体包含两层金属和一层中间介质,表面金属层每一个周期单元由五种尺寸接近的金属块按照相邻不同的规律排列成55的方形阵列. 各种尺寸金属块分别产生单峰谐振吸收,五个谐振吸收峰相互靠近从而产生宽带吸收. 通过研究吸波体表面电流和电场z分量分布情况可知,入射太赫兹能量的吸收主要是由y方向上电场引起的电偶极子振荡和z方向上磁场引起的磁极化产生,而且金属层的欧姆损耗起主要作用. 仿真结果表明,吸波体吸收率在80%以上的带宽约为1.2 THz,最高吸收率可达98.7%,半峰全宽(FWHM)为1.6 THz,该宽带吸波体的厚度约为中心波长的二十分之一,对偏振方向不敏感,且能实现大角度吸收,在太赫兹频段的电磁隐身、测辐射热探测器以及宽带通信等领域有潜在的应用价值.
    A polarization-insensitive and broadband terahertz (THz) absorber based on metamaterial (MM) is presented. The absorber consists of two layers of metal and a single layer of medium. Each periodic cell of the upper metallic layer consists of five different sizes of metal patches which form a square array of 55. In the array, the size of each metal patch is different from that of its adjacent one, and each size of the metal patch generates a single resonance absorption peak. The broadband absorption is actually produced by the overlapping of five adjacent resonance absorption peaks. By studying the distribution of the surface current and the z-component of electric field, it is easy to know that the energy of the incident THz wave is absorbed by two factors: one is the electric dipole oscillation caused by the electric field in the y direction, and the other is the magnetic polariton caused by the magnetic field in the z direction. And the ohmic loss of metal layers plays a major role on the absorption of the absorber. Simulation results show that the bandwidth achieves 1.2 THz for the absorption beyond 80%, and the maximum absorption is up to 98.7%. It's full width at half maximum (FWHM) is 1.6 THz, and the thickness of the broadband absorber is only about one twentieth of the center wavelength. In addition, the absorber is insensitive to the polarization and has a wide-angle feature, and the potential applications of the absorber are electromagnetic stealth, THz thermal radiation detectors, and THz communication.
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号:61265005)、广西信息科学实验中心项目(批准号:20130101)、 广西自动检测技术与仪器重点实验室项目(批准号:YQ14114)、广西研究生教育创新计划资助项目(批准号:YCSZ2014141)和桂林电子科技大学创新团队项目资助的课题.
    • Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 61265005), the foundation from Guangxi Experiment Center of Information Science, China (Grant No. 20130101), the foundation from Guangxi Key Laboratory of Automatic Detection Technology and Instrument (Grant No. YQ14114), the Innovation Project of Guangxi Graduate Education (Grant No. YCSZ2014141) and program for innovation research team of Guilin University of Electronic Technology.
    [1]

    Shelby R, Smith D R, Schulrz S 2001 Science 292 77

    [2]
    [3]

    Schurig D, Mock J J, Justice B J, Cummer S A, Pendry J B, Starr A F, Smith D R 2006 Science 314 977

    [4]
    [5]

    Patanjali V P, Wentao T L, Plarenta V, Srinivas S 2003 Nature 426 404

    [6]

    Landy N I, Sajuyigbe S, Mock J J, Smith D R, Padilla W J 2008 Phys. Rev. Lett. 100 207402

    [7]
    [8]

    Tao H, Landy N I, Bingham C M, Zhang X, Averitt R D, Padilla W J 2008 Opt. Express 16 7181

    [9]
    [10]
    [11]

    Wen Q Y, Zhang H W, Xie Y S, Yang Q H, Liu Y L 2009 Appl. Phys. Lett. 95 241111

    [12]

    Ma Y, Chen Q, Grant J, Saha S C, Khalid A, Cumming D R S 2011 Opt. Lett. 36 945

    [13]
    [14]
    [15]

    He X J, Wang Y, Wang J M, Gui T L, Wu Q 2011 Prog. Electromagn. Res. 115 381

    [16]
    [17]

    Wen Y Z, Ma W, Bailey J, Matmon G, Yu X M, Aeppli G 2013 Appl. Opt. 52 4536

    [18]
    [19]

    Tao H, Binghan C M, Pilon D, Fan K B, Strikwerda A C, Shrekenhamer D, Padilla W J, Zhang X, Averitt R D 2010 J. Phys. D: Appl. Phys. 43 225102

    [20]

    Ma Y B, Zhang H W, Li Y X, Wang Y C, Lai W E, Li J 2014 Chin. Phys. B 23 058102

    [21]
    [22]

    Shen X P, Yang Y, Zang Y Z, Gu J Q, Han J G, Zhang W L, Cui T J 2012 Appl. Phys. Lett. 101 154102

    [23]
    [24]
    [25]

    Chen Z, Zhang Y X 2013 Chin. Phys. B 22 067802

    [26]

    Gu C, Qu S B, Pei Z B, Xu Z, Liu J, Gu W 2011 Chin. Phys. B 20 017801

    [27]
    [28]

    Hu F R, Wang L, Quan B G, Xu X L, Li Z, Wu Z A, Pan X C 2013 J. Phys. D: Appl. Phys. 46 195103

    [29]
    [30]

    Dai Y H, Chen X L, Zhao Q, Zhang J H, Chen H W, Yang C R 2013 Acta Phys. Sin. 62 064101 (in Chinese)[戴雨涵, 陈小浪, 赵强, 张继华, 陈宏伟, 杨传仁 2013 物理学报 62 064101]

    [31]
    [32]

    Mo M M, Wen Q Y, Chen Z, Yang Q H, Li S, Jing Y L, Zhang H W 2013 Acta Phys. Sin. 62 237801 (in Chinese)[莫漫漫, 文岐业, 陈智, 杨青慧, 李胜, 荆玉兰, 张怀武 2013 物理学报 62 237801]

    [33]
    [34]
    [35]

    He S L, Fellow, IEEE, Chen T 2013 IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology 3 757

    [36]
    [37]

    Van Tuong Pham, Park J W, Dinh Lam Vu, Zheng H Y, Rhee J Y, Kim K W, Lee Y P 2013 Adv. Nat. Sci.: Nanosci. Nanotechnol 4 015001

    [38]
    [39]

    Grant J, Ma Y, Saha S, Khalid A, Cumming D R S 2011 Opt. Lett. 36 3476

    [40]
    [41]

    Ye Y Q, Jin Y, He S L 2010 Journal of the Optical Society of America B 27 498

    [42]
    [43]

    Wang B X, Wang L L, Wang G Z, Huang W Q, Li X F, Zhai X 2014 IEEE Photon. Technol. Lett. 26 111

    [44]

    Huang L, Chowdhury D R, Ramani S, Reiten M T, Luo S N, Taylor A J, Chen H T 2012 Opt. Lett. 37 154

    [45]
    [46]

    Wang G D, Liu M H, Hu X W, Kong L H, Cheng L L, Chen Z Q 2013 Eur. Phys. J. B 86 304

    [47]
    [48]

    Cheng Y Z, Nie Y, Gong R Z 2013 Optics {m Laser Technology 48 415

    [49]
    [50]
    [51]

    Wen Y Z, Ma W, Bailey J, Matmon G, Yu X M, Aeppli G 2014 Opt. Lett. 39 1589

    [52]

    Zhang D N, Wen Q Y, Xie Y S 2011 Chin. Opt. Lett. 9 S10402

    [53]
    [54]

    Liu P, Jiang J J, Chen Q, Xu X X, Miao L 2011 Electronic Components and Materials 30 56 (in Chinese)[刘鹏, 江建军, 陈谦, 徐欣欣, 缪灵 2011 电子元件与材料 30 56]

    [55]
  • [1]

    Shelby R, Smith D R, Schulrz S 2001 Science 292 77

    [2]
    [3]

    Schurig D, Mock J J, Justice B J, Cummer S A, Pendry J B, Starr A F, Smith D R 2006 Science 314 977

    [4]
    [5]

    Patanjali V P, Wentao T L, Plarenta V, Srinivas S 2003 Nature 426 404

    [6]

    Landy N I, Sajuyigbe S, Mock J J, Smith D R, Padilla W J 2008 Phys. Rev. Lett. 100 207402

    [7]
    [8]

    Tao H, Landy N I, Bingham C M, Zhang X, Averitt R D, Padilla W J 2008 Opt. Express 16 7181

    [9]
    [10]
    [11]

    Wen Q Y, Zhang H W, Xie Y S, Yang Q H, Liu Y L 2009 Appl. Phys. Lett. 95 241111

    [12]

    Ma Y, Chen Q, Grant J, Saha S C, Khalid A, Cumming D R S 2011 Opt. Lett. 36 945

    [13]
    [14]
    [15]

    He X J, Wang Y, Wang J M, Gui T L, Wu Q 2011 Prog. Electromagn. Res. 115 381

    [16]
    [17]

    Wen Y Z, Ma W, Bailey J, Matmon G, Yu X M, Aeppli G 2013 Appl. Opt. 52 4536

    [18]
    [19]

    Tao H, Binghan C M, Pilon D, Fan K B, Strikwerda A C, Shrekenhamer D, Padilla W J, Zhang X, Averitt R D 2010 J. Phys. D: Appl. Phys. 43 225102

    [20]

    Ma Y B, Zhang H W, Li Y X, Wang Y C, Lai W E, Li J 2014 Chin. Phys. B 23 058102

    [21]
    [22]

    Shen X P, Yang Y, Zang Y Z, Gu J Q, Han J G, Zhang W L, Cui T J 2012 Appl. Phys. Lett. 101 154102

    [23]
    [24]
    [25]

    Chen Z, Zhang Y X 2013 Chin. Phys. B 22 067802

    [26]

    Gu C, Qu S B, Pei Z B, Xu Z, Liu J, Gu W 2011 Chin. Phys. B 20 017801

    [27]
    [28]

    Hu F R, Wang L, Quan B G, Xu X L, Li Z, Wu Z A, Pan X C 2013 J. Phys. D: Appl. Phys. 46 195103

    [29]
    [30]

    Dai Y H, Chen X L, Zhao Q, Zhang J H, Chen H W, Yang C R 2013 Acta Phys. Sin. 62 064101 (in Chinese)[戴雨涵, 陈小浪, 赵强, 张继华, 陈宏伟, 杨传仁 2013 物理学报 62 064101]

    [31]
    [32]

    Mo M M, Wen Q Y, Chen Z, Yang Q H, Li S, Jing Y L, Zhang H W 2013 Acta Phys. Sin. 62 237801 (in Chinese)[莫漫漫, 文岐业, 陈智, 杨青慧, 李胜, 荆玉兰, 张怀武 2013 物理学报 62 237801]

    [33]
    [34]
    [35]

    He S L, Fellow, IEEE, Chen T 2013 IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology 3 757

    [36]
    [37]

    Van Tuong Pham, Park J W, Dinh Lam Vu, Zheng H Y, Rhee J Y, Kim K W, Lee Y P 2013 Adv. Nat. Sci.: Nanosci. Nanotechnol 4 015001

    [38]
    [39]

    Grant J, Ma Y, Saha S, Khalid A, Cumming D R S 2011 Opt. Lett. 36 3476

    [40]
    [41]

    Ye Y Q, Jin Y, He S L 2010 Journal of the Optical Society of America B 27 498

    [42]
    [43]

    Wang B X, Wang L L, Wang G Z, Huang W Q, Li X F, Zhai X 2014 IEEE Photon. Technol. Lett. 26 111

    [44]

    Huang L, Chowdhury D R, Ramani S, Reiten M T, Luo S N, Taylor A J, Chen H T 2012 Opt. Lett. 37 154

    [45]
    [46]

    Wang G D, Liu M H, Hu X W, Kong L H, Cheng L L, Chen Z Q 2013 Eur. Phys. J. B 86 304

    [47]
    [48]

    Cheng Y Z, Nie Y, Gong R Z 2013 Optics {m Laser Technology 48 415

    [49]
    [50]
    [51]

    Wen Y Z, Ma W, Bailey J, Matmon G, Yu X M, Aeppli G 2014 Opt. Lett. 39 1589

    [52]

    Zhang D N, Wen Q Y, Xie Y S 2011 Chin. Opt. Lett. 9 S10402

    [53]
    [54]

    Liu P, Jiang J J, Chen Q, Xu X X, Miao L 2011 Electronic Components and Materials 30 56 (in Chinese)[刘鹏, 江建军, 陈谦, 徐欣欣, 缪灵 2011 电子元件与材料 30 56]

    [55]
  • [1] 陈闻博, 陈鹤鸣. 基于超材料复合结构的太赫兹液晶移相器研究. 物理学报, 2022, 0(0): 0-0. doi: 10.7498/aps.71.20212400
    [2] 葛宏义, 李丽, 蒋玉英, 李广明, 王飞, 吕明, 张元, 李智. 基于双开口金属环的太赫兹超材料吸波体传感器. 物理学报, 2022, 71(10): 108701. doi: 10.7498/aps.71.20212303
    [3] 张文英, 胡鹏, 肖游, 李浩, 尤立星. 高效、偏振不敏感超导纳米线单光子探测器. 物理学报, 2021, 70(18): 188501. doi: 10.7498/aps.70.20210486
    [4] 王玥, 崔子健, 张晓菊, 张达篪, 张向, 周韬, 王暄. 超材料赋能先进太赫兹生物化学传感检测技术的研究进展. 物理学报, 2021, 70(24): 247802. doi: 10.7498/aps.70.20211752
    [5] 江孝伟, 武华. 吸收波长和吸收效率可控的超材料吸收器. 物理学报, 2021, 70(2): 027804. doi: 10.7498/aps.70.20201173
    [6] 王磊, 肖芮文, 葛士军, 沈志雄, 吕鹏, 胡伟, 陆延青. 太赫兹液晶材料与器件研究进展. 物理学报, 2019, 68(8): 084205. doi: 10.7498/aps.68.20182275
    [7] 陈俊, 杨茂生, 李亚迪, 程登科, 郭耿亮, 蒋林, 张海婷, 宋效先, 叶云霞, 任云鹏, 任旭东, 张雅婷, 姚建铨. 基于超材料的可调谐的太赫兹波宽频吸收器. 物理学报, 2019, 68(24): 247802. doi: 10.7498/aps.68.20191216
    [8] 王越, 冷雁冰, 王丽, 董连和, 刘顺瑞, 王君, 孙艳军. 基于石墨烯振幅可调的宽带类电磁诱导透明超材料设计. 物理学报, 2018, 67(9): 097801. doi: 10.7498/aps.67.20180114
    [9] 金柯, 刘永强, 韩俊, 杨崇民, 王颖辉, 王慧娜. 基于超材料的中波红外宽带偏振转换研究. 物理学报, 2017, 66(13): 134201. doi: 10.7498/aps.66.134201
    [10] 韩江枫, 曹祥玉, 高军, 李思佳, 张晨. 一种基于超材料的宽带、反射型90极化旋转体设计. 物理学报, 2016, 65(4): 044201. doi: 10.7498/aps.65.044201
    [11] 张会云, 黄晓燕, 陈琦, 丁春峰, 李彤彤, 吕欢欢, 徐世林, 张晓, 张玉萍, 姚建铨. 基于石墨烯互补超表面的可调谐太赫兹吸波体. 物理学报, 2016, 65(1): 018101. doi: 10.7498/aps.65.018101
    [12] 张玉萍, 李彤彤, 吕欢欢, 黄晓燕, 张会云. 工字形太赫兹超材料吸波体的传感特性研究. 物理学报, 2015, 64(11): 117801. doi: 10.7498/aps.64.117801
    [13] 刘桐君, 习翔, 令永红, 孙雅丽, 李志伟, 黄黎蓉. 宽入射角度偏振不敏感高效异常反射梯度超表面. 物理学报, 2015, 64(23): 237802. doi: 10.7498/aps.64.237802
    [14] 周卓辉, 刘晓来, 黄大庆, 康飞宇. 一种基于十字镂空结构的低频超材料吸波体的设计与制备. 物理学报, 2014, 63(18): 184101. doi: 10.7498/aps.63.184101
    [15] 韩松, 杨河林. 双向多频超材料吸波器的设计与实验研究. 物理学报, 2013, 62(17): 174102. doi: 10.7498/aps.62.174102
    [16] 刘亚红, 方石磊, 顾帅, 赵晓鹏. 多频与宽频超材料吸收器. 物理学报, 2013, 62(13): 134102. doi: 10.7498/aps.62.134102
    [17] 鲁磊, 屈绍波, 施宏宇, 张安学, 张介秋, 马华. 基于宽边耦合螺旋结构的低频小型化极化不敏感超材料吸波体 . 物理学报, 2013, 62(15): 158102. doi: 10.7498/aps.62.158102
    [18] 沈晓鹏, 崔铁军, 叶建祥. 基于超材料的微波双波段吸收器. 物理学报, 2012, 61(5): 058101. doi: 10.7498/aps.61.058101
    [19] 刘涛, 曹祥玉, 高军, 郑秋容, 李文强. 基于超材料的吸波体设计及其波导缝隙天线应用. 物理学报, 2012, 61(18): 184101. doi: 10.7498/aps.61.184101
    [20] 孙良奎, 程海峰, 周永江, 王军, 庞永强. 一种基于超材料的吸波材料的设计与制备. 物理学报, 2011, 60(10): 108901. doi: 10.7498/aps.60.108901
计量
  • 文章访问数:  4135
  • PDF下载量:  900
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2014-04-03
  • 修回日期:  2014-04-27
  • 刊出日期:  2014-09-05

基于超材料的偏振不敏感太赫兹宽带吸波体设计

  • 1. 桂林电子科技大学电子工程与自动化学院, 桂林 541004;
  • 2. 空军勤务学院, 徐州 221000
    基金项目: 国家自然科学基金(批准号:61265005)、广西信息科学实验中心项目(批准号:20130101)、 广西自动检测技术与仪器重点实验室项目(批准号:YQ14114)、广西研究生教育创新计划资助项目(批准号:YCSZ2014141)和桂林电子科技大学创新团队项目资助的课题.

摘要: 本文设计了一种基于超材料的偏振不敏感太赫兹宽带吸波体. 吸波体包含两层金属和一层中间介质,表面金属层每一个周期单元由五种尺寸接近的金属块按照相邻不同的规律排列成55的方形阵列. 各种尺寸金属块分别产生单峰谐振吸收,五个谐振吸收峰相互靠近从而产生宽带吸收. 通过研究吸波体表面电流和电场z分量分布情况可知,入射太赫兹能量的吸收主要是由y方向上电场引起的电偶极子振荡和z方向上磁场引起的磁极化产生,而且金属层的欧姆损耗起主要作用. 仿真结果表明,吸波体吸收率在80%以上的带宽约为1.2 THz,最高吸收率可达98.7%,半峰全宽(FWHM)为1.6 THz,该宽带吸波体的厚度约为中心波长的二十分之一,对偏振方向不敏感,且能实现大角度吸收,在太赫兹频段的电磁隐身、测辐射热探测器以及宽带通信等领域有潜在的应用价值.

English Abstract

参考文献 (55)

目录

    /

    返回文章
    返回