超材料多级结构在太赫兹和可见光波段响应特性的研究

超材料是一种人工合成的二维超表面，具备负介电常数、负磁导率等天然材料所不具备的电磁响应。不同结构与尺寸的超材料具有不同的性能，因此超材料在生物医学、光学器件等领域有着广泛的应用。太赫兹超材料吸收器是一种将超材料应用于太赫兹波段的器件，该结构能够与自由空间阻抗相匹配，对特定频率范围内的入射电磁波能够有效的“完美吸收”。本文设计了设一款“川”字型的金属–介质–金属的“三明治”式的太赫兹超材料吸收器，利用有限元仿真软件进行建模与仿真优化，获得最优的太赫兹超材料吸收器在1~3 THz之间有一个在2.84 THz谐振吸收峰，在此频率处实现了对太赫兹波99.93%的“完美吸收”。为了进一步扩展太赫兹超材料吸收器的功能，将太赫兹超材料吸收器与金纳米颗粒相结合，即在其金属条带表面随机生长一定尺寸(30 nm ~ 70 nm)的金纳米颗粒。仿真结果表明，对于大尺寸结构的太赫兹超材料吸收器来说，小尺寸的金纳米颗粒并不会减弱其在太赫兹波段的响应。此外，通过对超材料多级结构上的单个金纳米颗粒在可见光波段的研究发现，该结构在整个可见光波段均有响应，且增强因子均在10^4以上。因此，该超材料多级结构实现了在太赫兹和可见光波段均有响应，这对于太赫兹超材料吸收器应用广度的拓展有着一定的影响。

近些年来，超材料因其具有负介电常数、负磁导率等独特的电磁响应而引起了广泛的关注，应用于隐形[1] [2] [3] [4] [5]、传感、[6]-[13]完美吸收器[14] [15] [16] [17]和能量收集等领域。超材料在结构上层或里面设计周期性排列的亚波长金属谐振器，亚波长谐振单元可以调控其电磁特性。超材料是具有可变介电常数ε 和磁导率μ 的人工周期性结构，可以达到0εε<和0µµ< [18]，有效磁导率( )µ ω 和有效介电常数( )ε ω 是独立指定，通过麦克斯韦方程组可以得到超材料的折射率为：( )( ) ( )n ωε ω µ ω=，而超材料结构的表面整阻抗为：( )( )( )Z ωµ ωε ω=。

在2008 年，Landy 等人[19]首先提出并设计了一款金属–介质–金属的三层结构的太赫兹超材料吸收器，在1.125 THz 处有一个谐振吸收峰，吸收率达到了98%。在2022 年，Wang 等人[20]提出了由两条水平金属条和两条垂直连接的金属条组成的双波段极化可控太赫兹超材料吸收体。为了实现太赫兹超材