基于InSb复合超材料的可调谐吸收器研究

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太赫兹(THz)波是一种介于微波和红外波之间的电磁波,且尚未被完全开发利用,基于亚波长的电磁超材料为调控太赫兹光赋予了更大的操作空间,相比传统材料,超材料拥有前者所不具备的物理属性,其电磁响应只取决于周期的几何结构。特别是在太赫兹频率下,采用电磁超材料设计的吸收器具有完美吸收率、体积小巧等优点,在生物传感、能量收集等领域有着重要的应用价值。传统超材料吸收器的周期结构一旦确定,其工作频段也因此确定,这在某种程度上局限了吸收器的工作应用范围。在太赫兹频率下,锑化铟(In Sb)材料的介电常数拥有独特的温敏性质,把锑化铟结合到超材料吸收器的设计之中,将赋予吸收器的主动控制功能。基于此,本文围绕以锑化铟作为可调谐性材料,分别设计了两款多频吸收器和一款基于全介质谐振器的单频可调谐吸收器,采用电磁仿真的方法研究了吸收器的吸收特性和物理机制。具体的研究内容安排如下:首先,基于金属微小槽的方法设计了一款五频带太赫兹超材料吸收器,通过以往的一些研究发现,带有微小槽的金属谐振单元能产生复杂的高阶谐振模式,这些谐振模式通过器件的几何参数优化,可设计出多频带的吸收器。该吸收器采用“金属—锑化铟—金属”的“三明治”结构设计。结果表明,吸收器产生了五个完美吸收峰,并可通过改变温度对吸收峰的频率进行调谐。由于设计的结构具有中心对称,吸收器具备偏振不敏感。另外,相比传统多带吸收器—采用不同金属谐振单元的组合形式来产生多带,该吸收器具有体积小、功能紧凑等特点,利于器件的微型化、集成化发展。其次,设计了一款四频带幅频独立双可调的太赫兹超材料吸收器。该吸收器结构为“金属—锑化铟—复合结构”,复合结构由金属和光敏硅组成。结果表明:该吸收器的四个峰值吸收性能接近完美吸收;当温度为250K时,通过控制泵浦功率强度使得硅的电导率在0~64000S/m进行变化,四个吸收峰的吸收率都有一致的变化趋势,且该四个平均吸收率的范围为10.61%~99.01%;当外部温度范围为190K~350K时,其调谐频率范围为0.875THz~6.419THz,四频带覆盖的工作频段高达5.544THz。最后,拟合了四频带的中心频率与温度的经验公式,这将为吸收器的设计提供参考价值。最后,基于锑化铟全介质谐振器,设计了一款高Q值的单频可调谐吸收器。研究了不同偏振角、入射角和结构参数对吸收器的性能的影响。从该器件的电场分布角度出发解释了其强吸收的物理机制,另外,研究了不同温度下对吸收谱线频率的调谐效果,结果表明:吸收器能实现5.47THz到6.35THz内的动态调节,该范围的平均吸收率为99.24%,且最低谐振吸收峰的Q值都保持在99.9以上。
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