基于CST仿真的宽带超材料结构及其实验研究

摘要

太赫兹波的波长范围0.03~3mm是介于红外和毫米波之间的亚毫米波，具有许多其他电磁波不具备的独特性质，同时物质结构的太赫兹波谱也包含着非常丰富的物理化学信息，这些优点使得它在物理、生化、遥感、雷达、军事、国土安全、医学、天文、通信、航天等领域有许多潜在应用，引发国内外各界关注。超材料是一种新兴的通过组合普通材料以实现特殊物理性能的人工复合材料，可以实现太赫兹频段的高吸收效果。结合太赫兹超材料和红外探测技术的转换器，可以利用超材料结构吸收太赫兹波能量再将其转换为红外射线进而被红外探测器探测，大幅降低太赫兹探测器成本。 在这种结构中，太赫兹吸收超材料是核心部分。本文设计了单圆片超材料吸收结构，由金属圆片、中间介质、底层金属薄膜组成，研究了单圆片超材料的吸收原理，推导了单圆片超材料的共振频率计算公式，并利用CST软件仿真，使其在2.52THz达到99.9%的高吸收，结合其金属层表面电流分布及电场磁场能量分布，分析了该超材料结构吸收太赫兹波的特点，探究了单圆片结构金属材料、单元尺寸、介质厚度、圆片半径对太赫兹响应的影响，模拟了在 TM、TE 波的情况下，吸收特性随入射角增大的改变，证实了单圆片结构吸收太赫兹波极化不敏感优点。 本文还基于单圆片结构的堆叠、平铺设计了多层圆片、单层多圆片超材料结构，有效地拓宽了圆片结构的吸收带宽，通过仿真，证实了结构中圆片半径种类越多吸收带宽越宽，联系金属表面电流分布，对比了两种结构增加带宽吸收原理的异同：堆叠结构由于层间有益电流的存在，层与层之间的耦合增强了结构对电磁波的吸收，平铺结构由于底层金属薄膜处干扰电流的存在，对带宽的增加存在上限。最后结合两种结构构建了一种新型复合圆片堆叠结构，实现了4.7~7.4THz(带宽2.7THz)范围内80%以上的吸收，不仅保证了高吸收还大大增加了吸收带宽，缩小结构尺寸后，可以使该结构中心频率变大。 本文使用光刻技术结合真空蒸镀实现了单圆片超材料结构，金属圆片阵列完整干净均匀，圆片半径18μm左右。通过实验明确了各工艺步骤的具体参数，重点阐述了光刻工艺不同步骤及其参数对光刻图形的影响，测试并分析了单圆片结构对太赫兹波的响应特性。

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