太赫兹波宽带超材料吸收器的结构设计与性能

摘要

超材料宽带吸收器，尤其是结构简单性能优良的宽带吸收器在电磁隐身，光电探测等方面都有极大的应用前景，是太赫兹超材料领域的研究热点。当前，许多太赫兹超材料宽带吸收器存在吸收带宽有限、制作复杂、占空比较低等问题，这在一定程度上限制了它的发展及应用。
　　通常，超材料宽带吸收器的设计采用金属-介质多层交互叠加方式，或者周期内排列组合多个图形结构的方式。在太赫兹波段，这些设计方法对微加工水平或超材料尺寸提出了很高的要求，因此难以大幅度提高吸收带宽。本文通过对闭合金属环谐振特性和电磁波带宽叠加原理的研究表明，图案层的闭合金属环边长决定谐振峰的位置，不同金属环产生的谐振峰相对独立且相互影响较小，便于实现带宽叠加。基于此特性，本文中设计平面同心嵌套金属环结构使一系列窄带吸收峰在太赫兹波段相互叠加实现了宽带吸收。对其吸收特性的研究表明，该器件为偏振无关器件，吸收带宽为3.70THz，带宽中心频率比高达87.5％，对一定角度斜入射的TE、TM模式电磁波都能保持较高的吸收率，且吸收主要为金属的欧姆损耗，并成功的利用了阻抗匹配原理和干涉理论对宽带吸收进行分析。平面嵌套结构的超材料宽带吸收器不仅具有制作简单、占空比高等优点，而且改变金属线宽和金属环间距可以提高超材料的吸收率，改变闭合环数量可以控制吸收带宽。
　　考虑到实际应用中热传导，热电信号提取等问题，基于同心嵌套金属环图形并结合天线结构的设计思想，采用螺旋金属线方式设计了吸收性能更为良好的太赫兹波宽带吸收器。该吸收器为偏振不敏感器件，吸收带宽高达5.26THz，在带宽内平均吸收率超过80%，带宽中心频率比接近90%。另外，利用天线结构对电场的放大作用和超材料设计的可缩放性，在微波波段结合集总元素和螺旋天线结构设计出了偏振无关的宽带吸收器。

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1 概论

1.1 太赫兹波与超材料

1.2 超材料吸收器的研究进展

1.3 本论文的内容安排

2 超材料吸收器的理论基础及软件

2.1 电磁超材料的吸波机理

2.2 阻抗匹配原理

2.3 干涉原理

2.4 基于CST仿真软件的结构设计

2.5 本章小结

3 平面嵌套结构超材料宽带吸收特性

3.1 引言

3.2 偶极谐振窄带吸收器及叠加原理

3.3 嵌套结构宽带超材料吸收器

3.4 阻抗匹配方法及干涉方法

3.5 本章小结

4 基于天线结构的宽带吸收器

4.1 引言

4.2 几种天线结构超材料吸收器

4.3 基于方形螺旋天线结构的宽带吸收器

4.4 本章小结

5 总结与展望

致谢

参考文献

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