基于超材料的太赫兹吸波体理论与工艺研究

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超材料是一种新型的人工电磁材料,其结构一般由周期阵列单元构成,其电磁特性高度依赖于所设计的器件结构。太赫兹(terahertz:THz)电磁波具有安全性好、光谱信息含量高、穿透性强和频带宽等优点,在通信、生物医学、物质识别和国防军事等方面的应用前景极其广阔。随着微纳加工工艺和太赫兹技术的飞速发展,基于微纳加工工艺的超材料太赫兹吸波体研究,成为太赫兹功能器件领域的一个研究热点。本文首先基于时域有限积分方法,设计了一种新颖的三层结构太赫兹宽带吸波体,并详细分析了吸波体的电磁吸收机理和吸收曲线受不同参数影响情况。仿真结果表明,该宽带吸波体其吸收率在80%以上对应的带宽为1.2THz,其半峰全宽(FWHM)为1.6THz,最大吸收率可达98.7%,对太赫兹波的偏振方向不敏感,且能实现大入射角吸收。若按比例改变该宽带吸波体的结构尺寸,则吸波体的工作频段也可以扩展到微波和红外等波段,其在电磁隐身、测辐射热的探测和宽带通信等领域具有潜在的应用价值。然后,详细介绍了MEMS微加工工艺流程和特点,并简要介绍了吸波体结构的设计方法。最后,在利用CST软件设计出了太赫兹可调吸波体后,采用MEMS工艺制作出了可调吸波体样片,分析了可调吸波体的电磁损耗机理以及吸收曲线受不同参数的影响情况,并实验验证了吸波体吸收峰的调制特性。仿真结果表明,该吸波体的低频吸收峰出现红移,且调制度为2.2%,吸收率的幅度变化为0.5%;中频吸收峰的调制度为5.7%,吸收率变化幅度为7.4%;高频吸收峰的调制度为0.65%,吸收率变化幅度为3%。实验结果表明,吸波体的低频吸收峰出现了明显的红移,且调制度为0.7%,吸收率变化了0.5%;中频吸收峰的调制度为3.9%,吸收率变化了1%;高频吸收峰的调制度为1.4%,吸收率变化了8%。该吸波体的仿真结果与实验结果基本吻合。该THz可调吸波体可用作THz调制器,在频率选择性光谱探测、THz开关和多谱成像等方面的应用前景十分巨大。
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