[发明专利]一种太赫兹宽频带吸收超材料的设计方法

说明书

技术领域

本发明属于电磁波吸收与辐射控制领域，尤其涉及一种太赫兹宽频带吸收超材料的设计方法。

背景技术

电磁超材料是某些几何结构单元通过周期排列形成的人工材料，通常它具有一些奇异的物理性质，因此拥有广阔的应用前景，如红外探测器、雷达隐身、热辐射器等。自然界存在的吸收材料由于其自身阻抗无法和自由空间的阻抗相匹配，所以存在一定的反射，不能完全吸收电磁波；同时自然材料很难在很宽的频段内具有高损耗，所以吸收材料的体积都比较大，带宽往往受到限制。

2008年，美国波士顿学院W.Padilla教授等首次提出了一种基于人工电磁介质的微波波段完美吸收材料，通过合理地设计单元结构，使得等效介电常数和磁导率在某频率上不但实部相等，其虚部也完全相同，从而使得阻抗跟自由空间的阻抗完全匹配，让入射波几乎能全部被有损耗的人工电磁介质吸收。

虽然人工电磁介质在任意波段内能够实现超薄、极化不敏感等特性，但是由于很多吸收带宽都比较窄。因此，拓宽人工电磁介质吸波材料的吸波带宽成为一个研究热点。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种太赫兹宽频带吸收超材料的设计方法。

太赫兹宽频带吸收超材料由周期单元结构组成，t_m是用金元素做的金属薄膜，金的电导率为σ＝4.09×107s/m，t_d是由常用的有机高分子聚合物做的介质层材料，其相对介电常数ε＝3.5+0.2i。最底层是金属底板，由上述的金属薄膜组成，厚度为t_m＝0.2μm，其宽度P作为整个圆台结构的周期。金属底板的上层结构为该结构的核心部分，每一层是周期单元，由介质层材料和金属薄膜堆叠而成，共10层，每一层的金属薄膜厚度保持不变，均为t_m＝0.2μm，介质层材料的厚度t_d则由下往上依次为8.7μm，7.2μm，6.1μm，5.2μm，4.5μm，3.9μm，3μm，2.7μm，2.4μm。我们采用紫外光刻和金属沉积剥离相结合的方法来加工每一层的金属谐振结构，金属之间的介质隔离层通过旋涂高分子材料来实现，不同金属层的相对位置通过标记来对准。圆台整体高度为T＝49.1μm，周期为P＝95μm，顶部长度为W_t＝39.7μm，底部长度为W_b＝79μm。

步骤(1)根据有效介质理论，超材料太赫兹材料的性能由磁导率μ和介电常数ε决定，而反射率R(ω)和透射率T(ω)取决于折射率n和波阻抗Z，均与磁导率μ和介电常数ε相关；

通过有限元法，仿真得到S参数，仿真时采用频域计算模式TM极化波，磁场沿着y方向，垂直于x-z平面，在仿真时会作为激励源沿着z方向垂直照射到吸波结构上；x方向为周期性边界；

结合参数扫描结果，得到仅有单个尺寸谐振单元的超材料太赫兹吸波材料的最优吸收曲线，同时根据入射端口和出射端口得到的参数S₁₁和S₂₁，从而计算出等效阻抗Z。

步骤(2)通过改变单元结构的周期及金属薄膜与介质材料的尺寸，调节对应的吸收频率，将多个金属薄膜与介质材料堆叠在一个单元周期内，使不同的谐振圆台对应的吸收谱线叠加。

本发明能够有效拓宽太赫兹频带的吸收谱，使其在吸收率超过90％以上的频带得到拓宽，同时也保证了一定高度的相对吸收带宽，且前9个吸收峰是由该单元结构内部引起的，所以不受周期的影响。

附图说明

图1为太赫兹宽频带吸波结构示意图。

图2为单层金属片和高分子有机材料的结构示意图。

图3为太赫兹宽频带吸波结构的吸收曲线。

图4为提取出来的阻抗值的实部曲线。

图5为不同周期时得到的吸收谱。

具体实施方式

下图结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

一种太赫兹宽频带吸收超材料的设计方法，包括如下步骤：

步骤(1)根据有效介质理论，超材料太赫兹材料的性能由磁导率μ和介电常数ε决定，而反射率R(ω)和透射率T(ω)取决于折射率n和波阻抗Z，均与磁导率μ和介电常数ε相关；

反射率R(ω)和透射率T(ω)均和S参数有关，S₁₁为反射系数，S₂₁为透射系数，其中反射率R(ω)＝|S₁₁|²，透射率T(ω)＝|S₂₁|²；