太赫兹超材料吸波体的设计与特性研究

摘要

超材料吸波体因其特殊的电磁性质和完美的吸波特性成为电磁超材料的一个重要分支。太赫兹波作为电磁波谱中有待研究的最后一个频率窗口，因其独特的性质被广泛地应用于无损检测、医疗、THz成像、通信等领域。然而，自然界的大多数材料在太赫兹（THz）频段的电磁响应均较弱，THz超材料的出现为太赫兹技术的发展和应用带来了新的机遇。本文主要研究太赫兹超材料吸波体，涉及太赫兹超材料吸波体的调控、设计及制造。本文的主要研究内容及结论概括如下：
　　（1）结合前人的研究成果，本文提出一种调控太赫兹超材料响应的简易新方法，即将超材料的结构单元整体按比例地放大和缩小。结果表明，已满足阻抗匹配条件的超材料结构经整体比例变化之后，仍然满足阻抗匹配条件；而且，调整后超材料的吸收频率与尺寸变化的倍数成反比；并且，超材料的响应频带也随着单元尺寸的整体缩小而变宽。采用这种方法，我们可以通过调控某一特定频率响应的超材料，得到一定范围内对任意入射频率具有完美吸收（吸收峰值大于98％）的太赫兹超材料。这种调控方法使超材料的设计更加灵活、简便，并为超材料的理论研究提供了新的思路。
　　（2）本文系统地研究了环型结构超材料吸波体的吸收频带展宽的方法。研究发现，通过对环开口和增加开口的个数，可以使环的响应频率大幅度蓝移。据此，本文设计出多谐振吸收（同一单元结构内）组合的宽频超材料。此外，还设计并优化了具有螺旋环结构的宽频多频带超材料吸波体。
　　（3）重要的是，本文创新性地设计了两种新型的多层超材料吸波体。此类吸波体是在传统的三层超材料基础上，再加入一层超薄的介质层和另一层金属图形层，而且表层及中间的两层金属图形层之间存在重叠区域。这种新型的多层超材料对太赫兹信号具有宽频吸收、宽角响应、极化不敏感、损耗集中等优良特性。目前为止，相关研究还未见国内外文献报道。本文设计的这些新型超材料具有较强的器件应用前景，有利于推动超材料研究的发展。
　　（4）研究了太赫兹超材料吸波体的制备工艺，并对其进行表征与测试。研究了聚酰亚胺薄膜的制备方法及工艺参数、以及Al的腐蚀方法及工艺参数。利用传统的微加工技术，成功地制备出本文设计的超材料吸波体。测试显示，该超材料吸波体确实存在一个较宽的吸波频宽，其中心频率与吸收频段均与仿真相一致。

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第一章 绪论

1.1 电磁超材料的研究进展

1.2 太赫兹科学与电磁超材料

1.3 超材料吸波体的研究进展

1.4 本文的主要内容及创新点

第二章 基本理论概述

2.1 吸收率

2.2 超材料电磁参数的Smith参数反演法

2.3 吸波的基本机理

2.4 电磁场求解的有限元方法

2.5 本章小结

第三章 太赫兹超材料吸波体的调控规律研究

3.1 超材料吸波体的单元结构

3.2 模拟仿真方法

3.3 超材料吸波体的调控规律

3.4 本章小结

第四章 新型宽频超材料吸波体的设计与特性研究

4.1 宽频超材料吸波体的设计

4.2 新型超材料吸波体的宽角度特性研究

4.3 新型超材料吸波体的场分布

4.4 宽频超材料的调控

4.5 本章小结

第五章 新型太赫兹超材料吸波体的制备与测量

5.1 聚酰亚胺薄膜的制备

5.2 铝的湿法腐蚀实验

5.3 超材料吸波体实现的工艺流程

5.4 超材料吸波体的表征与测试

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果