关于太赫兹超材料任意排列耦合的研究

DOI：10.16660/ki.1674-098X.2016.22.045

摘 要：在太赫兹波段，通过对周期性结构的超材料共振进行分析研究，利用软件对其结构进行数值模拟，实验验证得到结果。为了了解加工过程或者使用中产生结构的旋转对太赫兹谱线透过率的影响以及其本身单元结构的耦合，我们人为地改变了样品的周期性，使其结构从周期性变为无序进行研究。使用的方法是切割样品，再对切割的小样品进行任意排列，破坏其有序性。通过太赫兹时域光谱系统进行实验对比分析与研究。进而对单元结构间耦合作用进行阐述。

关键词：超材料 耦合 非周期性

中图分类号：TB33 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）08（a）-0045-02

超材料是一种特殊的人工复合材料，是一种新的途径来增强对材料的任意设计，控制电磁波[1-3]。其物理性质主要不是取决于化学组成，而是由其内部单元决定，这种内部单元结构如同一般材料的分子原子。超材料具有独特的电磁性质以及能产生特殊的物理性质。我们所熟悉的左手射率材料就属于超材料的一种。

太赫兹波段的研究正在迅猛发展，由于其有着巨大的应用前景，如，在生物医学、安全检测、通信等领域方面。在太赫兹波段下超材料的研究正在逐渐兴起和发展，对太赫兹能实现各种不寻常的功能器件具有重要的意义。包括太赫兹隐身器件，调制器，超透镜，微波天线，理想吸收体，传感器等[4-6]。

1 模拟与实验

超材料结构单元的设计是一种类似/＼型的共振器。通过使用光刻技术将200 nm的Al光刻在640 μm的Si基底上，金属Al结构如图1所示，即3个圆处于等边三角形中心，三者用两金属条连接组合成一个单元。Al的电导率为= S/m，半导体Si介电常数=11.78。周期性单元结构沿着x和y方向都是150 μm。且样品大小为15 mm×15 mm。

模拟仿真采用商业软件CST Microwave Studio来实现仿真模拟结果。由于样品不完全对称，太赫兹波的电场方向分别在x，y上透射，其透射光谱将对应不同的结果。研究电场沿着y方向时样品的透射光谱。此外分别对样品旋转30°、45°、60°、90°，进行仿真模拟，可以得到新的不同的共振光谱。如图2样品旋转后的结构以及模拟结果所示。

图2分别画出了在不同的旋转角度下样品的放置。当样品旋转角度为零时，有一个幅值较大的共振，在0.56 THz[7]。此时电场的方向沿着y轴，通过表面电流的分布来分析，可以把/＼型共振器结构简化为一个有一定等效长度和宽度的金属棒，类似于电偶极子共振，其共振频率与等效长度和宽度有关。当样品偏离零度有一定的小角度时，共振频率谱线出现了新的变化，0.56 THz共振频率处幅值逐渐减小，在0.37 THz频率处出现了幅值较小的共振，此时有一定旋转角度的样品在电场y轴下可以等效为一个开口金属环，类似于LC振荡，其共振频率与结构本身的参数有关。随着样品角度的旋转，共振幅值在0.37 THz频率处不断增强，在0.56 THz处不断减弱，直至消失。

考虑到0.56 THz和0.37 THz是两种性质不同的共振激发，在与太赫兹波相互作用时，可以同时存在于样品中，样品的太赫兹透过率谱线就是这两种共振相互作用耦合的结果。对应于样品结构的不同或者角度的不同，两种共振所占的比例不同，直接影响了两种共振幅值的变化。

实验中我们采用太赫兹时域光谱系统。所使用的光路为竖直的穿过样品，样品放置在比色皿内。对样品旋转不同角度，获得太赫兹透过率谱线，实验中样品的透过率曲线随着旋转角度的变化与模拟结果一致，很好地验证了模拟结果。

上述情况都是基于周期性样品结构，单元结构的角度变化，则透射谱线也将改变。若是在加工过程或者使用中产生结构的扭曲和改变，对太赫兹透过率的谱线以及其本身单元结构的耦合有影响，因而研究非周期的性质有着重要的意义。基于此我们人为地改变了样品的周期性，使其结构从周期性变为无序。使用的方法是切割样品，再对切割的小样品进行任意排列，破坏其有序性。此时由于结构的无序性，不能进行模拟分析。只能通过实验来进行分析。

将周期性结构破坏为不同程度的两种方式，如，将样品分别切割为16块，100块均匀的小样品，放置在2个比色皿内，结构任意且排列紧密，通过太赫兹时域光谱系统进行实验研究与分析。分别进行多次实验来说明问题。如图3所示，5组的排列我们通过对比色皿放在旋转台上进行高频率转动来改变排列方式，每次转动时间分别为1 min，2 min……5 min。转动后进行实验。图3中的16-1，表示样品切割的数量以及进行的第1次实验，其他以此类推。

将样品切割成均匀的16块和100块时，样品的数目较多，由于结构排列的无序性，不同结构与太赫兹波相互作用激发产生两种共振频率，且不同结构间相互耦合，使得太赫兹透过谱线，如图3所示。对比进行的5组实验，可以得到，在不同的实验环境下，透过率的谱线在幅值上发生明显的变化，频率的变化不大。其中不同的幅值深度是与共振强弱有关。两种共振方式相互作用，若是其中样品旋转角度小的数量占多数时，共振频率在0.56 THz占主导，对应的谱线幅值较深。若是样品旋转角度大的数量占多数时，共振频率在0.37 THz在相互耦合作用中占主导，共振较强，此时对应着其共振的幅值较深。在整个实验过程中，频率的变化不明显可以得出在整个样品切割以及改变角度下，并未产生新的共振激发方式，只有上述两种共振方式相互叠加作用。是由于最小单元结构类似于材料的分子成分并没有变化。

由于样品切割工艺的局限性，我们只能将样品切割成100块，若是再小的结构，预想其透射光谱应该在每一次实验中趋于一致，透射谱线在两个共振频率幅值上趋于均衡。

2 结语

综合上述实验研究，样品单元结构的任意排列，将影响太赫兹透射光谱的改变。结构单元之间的共振耦合作用使得共振幅值产生变化。为了了解加工过程或者使用中产生结构的变化对太赫兹谱线透过率的影响，我们人为地改变了样品的周期性，使其结构从周期性变为无序。通过太赫兹时域光谱系统进行实验对比分析与研究。这项工作对研究周期性结构的缺损或破坏等检测方面也有潜在的应用研究价值。

参考文献

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