太赫兹电磁超材料完美吸收器的研究进展

电磁超材料完美吸收器独特的亚波长结构能够与入射电磁波产生有效的电磁共振,在特定的频率范围内能够达到近乎100%的完美吸收。近年来,电磁超材料完美吸收器,特别是太赫兹波段完美吸收器受到了国内外研究人员的广泛关注,取得了一定进展。综述了基于太赫兹波段的电磁超材料完美吸收器的研究进展,阐述了超材料吸收器的基本结构特征、性能以及理论模型,并对太赫兹完美吸收器的未来发展趋势以及应用前景作了简要探讨。     

一种基于电磁超材料的抗干扰天线

设计了一种基于电磁超材料的抗干扰天线.该抗干扰天线由矩形波导腔体,铺设于波导腔体底部宽边的电磁超材料以及位于波导腔体上部宽边的辐射缝隙构成.当电磁超材料表现为完美电导体时,该抗干扰天线同传统波导缝隙天线类似,可高效辐射电磁波.当电磁超材料表现为完美磁导体时,该抗干扰天线的性能与带阻滤波器相似,可抑制特定频段的干扰电磁波.该抗干扰天线实现了天线与滤波器的高度集成,结构紧凑.仿真与测试结果显示该抗干扰天线在工作频段具有良好的辐射特性,同时对干扰频段电磁波的抑制可达40 dB.     

基于超材料的多频带可调谐太赫兹吸收器

设计了一种多频带可调谐的太赫兹超材料吸收器。在超材料吸收器的结构中,引入光敏半导体硅材料,设计特殊的顶层金属谐振器,分析开口长度、线宽、介质层厚度等参数尺寸对太赫兹超材料吸收器的吸收光谱特性影响。根据光照与光敏半导体硅电导率之间的关系,研究太赫兹超材料吸收器的频率调谐特性。仿真结果得到太赫兹波段的12个吸收频率调制,其中有10处吸收峰的吸收率超过90%近完美吸收,且有6处吸收率达到99%的完美吸收,而且吸收率调制深度和相对带宽分别达到85.9 %和85.5%,具有很强的可调谐特性。设计的光激励太赫兹超材料吸收器结构简单,具有多频带可调谐和完美吸收特性,扩大了吸收器的应用范围。     

可用于农药传感的多带太赫兹超材料吸收器

多带太赫兹超材料吸收器是响应、操纵和调制太赫兹波的重要光子元件。本文基于周期性分裂环谐振器结构构建了一种多带太赫兹超材料吸收器。模拟和实验测试显示,在横磁(TM)极化情况下该超材料吸收器对0.918 THz和1.581 THz处的入射太赫兹波呈现出近似完美吸收。进一步,基于器件共振吸收峰的介电敏感特性,研究了负载不同浓度的多菌灵、三环唑、百草枯、塞苯隆4种农药溶液后超材料吸收器的传感性能,获得器件对4种农药的检测灵敏度分别为：1.06 GHz/ppm、0.65 GHz/ppm、0.67 GHz/ppm、2.07 GHz/ppm。结果表明该器件可实现对微量农药的传感检测,为今后食品质量安全控制提供了新的思路。     

T形结构太赫兹超材料吸收器的设计与仿真

太赫兹频段的超材料吸收器可广泛应用于军事雷达及生物检测等方面.提出了T形结构的太赫兹超材料吸收器,其吸收率可达99.99％以上,接近完美吸收,并从结构尺寸及电流分布等方面说明了此结构的吸收率影响因素及吸波机理.为了使上述T形结构的适用范围更广,进一步提出了极化不敏感T形吸收器及频率可调T形吸收器.仿真结果表明,所设计的超材料吸收器具有较高的吸收率、较灵活的频率调节范围和不敏感的极化角度,具有较好的研究价值.     

光控电磁超材料研究进展

电磁超材料是由亚波长尺寸单元周期或非周期排列组成的人工结构,能对电磁波的频率、幅度、相位和极化等基本物理特征进行调控,突破了传统材料的限制,可实现很多自然界不存在的有趣物理现象及应用。过去二十余年,超材料因其强大的电磁调控能力一直是物理领域的研究热点。但无源超材料在电磁波调控中存在局限性,如工作频率固定、实现功能单一等...     

基于超材料的自由电子辐射研究进展

自由电子与周围电磁环境互作用时可以通过不同的形式辐射电磁波.超材料是一种人工复合材料,可实现传统自然材料所不具备的电磁特性.基于超材料与自由电子之间的相互作用可以打破传统电磁辐射系统的限制,实现对辐射电磁波的极化、相位、波前等特性的灵活操控,这为发展新型的自由电子辐射器件提供了新思路.本文简单介绍了切伦科夫辐射、史密斯...     

基于超材料完全吸收器的低RCS微带天线

为降低微带天线雷达散射截面(RCS),提出了一种基于超材料完全吸收器的微带天线。通过电磁场仿真软件设计了一种和微带天线工作频带匹配的圆环宽频带超材料吸收器,并将其加载在传统微带天线上制作成基于超材料完全吸收器的微带天线。实验结果表明,保持天线辐射性能不变的情况下,超材料吸收器可以有效减小天线RCS,其中,正面0°方向的RCS值最大缩减达到了-15.8 dB。     

（英）基于SU8的远红外超材料完美吸收器理论研究

设计了一种基于SU8介质材料的工作波段为20-30微米范围内的的多层超材料吸收器。该吸收器由金属颗粒周期阵列、介质间隔层和金属底层组成。利用LC模型和FDTD数值模拟方法,通过对SU8介质层厚度、金属颗粒阵列周期、金属颗粒尺寸等参数的优化,实现了对20-30微米波段范围内入射波的接近100%的完美吸收。并在上述研究基础上进一步设计了具有双层谐振腔的双模完美吸收器。通过数值模拟发现,由于SU8介质间隔层厚度的增加,上下两个谐振吸收器可以分别独立实现对特定波长的完美吸收。相应的特征共振吸收波长符合LC模型的预测。同时,数值模拟结果进一步证实了共振吸收频率与入射角度无关。该完美吸收机制可以归因于入射光在金属底层-SU8介质层-金属颗粒层所组成的谐振腔内多次反射吸收。     

基于SU8的远红外超材料完美吸收器理论研究（英文）

设计了一种基于SU8介质材料的工作波段为20-30微米范围内的的多层超材料吸收器.该吸收器由金属颗粒周期阵列、介质间隔层和金属底层组成.利用LC模型和FDTD数值模拟方法,通过对SU8介质层厚度、金属颗粒阵列周期、金属颗粒尺寸等参数的优化,实现了对20-30微米波段范围内入射波的接近100%的完美吸收.并在上述研究基础上进一步设计了具有双层谐振腔的双模完美吸收器.通过数值模拟发现,由于SU8介质间隔层厚度的增加,上下两个谐振吸收器可以分别独立实现对特定波长的完美吸收.相应的特征共振吸收波长符合LC模型的预测.同时,数值模拟结果进一步证实了共振吸收频率与入射角度无关.该完美吸收机制可以归因于入射光在金属底层-SU8介质层-金属颗粒层所组成的谐振腔内多次反射吸收.     

超材料宽带低散射技术研究进展

电磁吸波材料和外形设计等低散射技术被广泛应用于隐身、电磁屏蔽及无线通信等领域。相比于传统技术途径,超材料低散射技术具有更加灵活的设计和调控能力,因而在带宽拓展、厚度减低等设计要求上具有更好的发展前景。文章介绍了实现宽频带散射缩减的常用方案,并着重介绍了基于多谐振叠加、损耗调节以及漫反射原理的带宽拓展方法,并简要展望了低散射技术的发展趋势。     

一种波长可调的近红外波段完美吸收体

一般将电磁波完美吸收体简称为完美吸收体,它可用于很多行业。用有限时域差分法研究了一种可以在近红外波段工作的完美吸收体。模拟结果表明,这种完美吸收体可以实现98%的单峰1400 nm左右宽谱吸收,或者可以实现90%以上的1320 nm和1640 nm波长的双峰吸收效率。通过调节共振腔结构的大小可以调节吸收波长和吸收宽度。电磁波完美吸收体是一种背靠背双共振腔模式的完美吸收体,有非常广泛的应用前景。     

Hierarchical Metamaterials for Multispectral Camouflage of Infrared and Microwaves

Camouflage is an emerging application of metamaterials owing to their exotic electromagnetic radiative properties. Based on the use of a selective emitter and an absorber as the metamaterials, most reported articles have suggested the use of single‐band camouflage, however, multispectral camouflage is a challenging issue owing to a difference of several orders of magnitude in the unit cell structure. Herein, hierarchical metamaterials (HMMs) for multispectral signal control when dissipating the absorbed energy of microwaves through the selective emission of infrared (IR) waves from the unit cell structure of the HMM are demonstrated. Integrating an IR selective emitter (IRE) with a microwave selective absorber, multispectral signal control with the large‐sized unit cell structures of up to 10 cm are realized. With an IRE, the emissive power from the HMM toward 5–8 µm is 1570% higher than the Au surface, which is preventing the occurrence of thermal instability. Furthermore, we determine that the signature levels of targeted IR waves (8–12 µm) and microwaves (2.5–3.8 cm) are reduced by up to 95% and 99%, respectively, when applying the HMM.     

利用高阶表面等离子体共振实现窄带完美吸收

超材料完美吸波体是一种典型的电磁功能材料,在包括高效太阳能利用等领域有巨大的应用前景。迄今的工作主要集中在工作波长的可调谐性以及双波段、三波段甚至宽带吸收方面。激光防护等特殊应用要求超材料完美吸波体在指定波长附近拥有窄带吸收性能,然而这方面的研究当前还比较少。基于铝反射镜-SiO₂介质层-铝圆盘的三层结构,设计并数值模拟研究了一种工作在1 064 nm的窄带超材料完美吸波体。通过对比发现,相比于利用小尺寸结构单元的表面等离子体振荡基模,利用大尺寸结构单元的表面等离子体振荡高阶模式,可以在指定波长处得到线宽更窄的完美吸收效果。进一步,通过对介质层厚度、圆盘直径和晶格周期等主要结构参数进行系统研究,揭示了各个结构参量对于超材料完美吸波体光学响应的影响规律。在此基础上,通过对结构参数的优化,最终得到了透过率为0、反射率低至8.56×10?5、模式线宽约为55 nm的高性能、窄带超材料完美吸波体设计。由于该工作中涉及的所有材料均CMOS兼容,同时结构单元的特征尺寸也处于光刻技术易于加工的区间,因此拥有良好的大规模实际应用前景。     

A Radially-Dependent Dispersive Finite-Difference Time-Domain Method for the Evaluation of Electromagnetic Cloaks

A radially-dependent dispersive finite-difference time-domain (FDTD) method is proposed to simulate electromagnetic cloaking devices. The Drude dispersion model is applied to model the electromagnetic characteristics of the cloaking medium. Both lossless and lossy cloaking materials are examined and their operating bandwidth investigated. It is demonstrated that the perfect “invisibility” of electromagnetic cloaks is only available for lossless metamaterials and within an extremely narrow frequency band.      

Design of wave absorber for small conducting sphere

An electromagnetic wave absorber for a small sized conducting sphere is designed by applying the Newton-Raphson method to the eigenfunction series solution for a coated conducting sphere. The parameters for the perfect absorbing condition are the constitutive parameters and the thickness of coating for a given radius of conducting sphere. The wave absorber designed by this method exhibits a superior absorption performance to that designed using flat plate absorber theory     

Towards Dynamic, Tunable, and Nonlinear Metamaterials via Near Field Interactions: A Review

Metamaterials research continues to bear fruit in the form of novel devices and optics across the electromagnetic spectrum. This is especially true in the gigahertz, terahertz, and near infrared frequencies. Metamaterials also continue to be one of the fastest growing subdisciplines of anisotropy research, with most notable metamaterial advances based on inherently anisotropic designs. Despite significant progress, many challenges remain before fully dynamic, broad bandwidth, and nonlinear metamaterial devices become truly viable. We review the study of near field interactions, or coupling, in metamaterials with a focus on how manipulation of interactions in metamaterials has helped overcome some of the largest obstacles toward tunable metamaterials, broad bandwidth metamaterials, nonlinear metamaterials, and metamaterial experimental techniques.     

惠更斯电磁超构表面微波天线的研究进展(特邀文章)

惠更斯电磁超构表面脱胎于现代三维超构材料,是一种特殊的二维亚波长阵列结构.基于经典电磁学惠更斯等效原理,惠更斯电磁超构表面可以灵活地调控电磁波的传播和电磁场的分布,其独特的电磁特性给天线的创新带来了巨大的机遇.文章将综述惠更斯电磁超构表面在微波天线中的研究进展,简要介绍惠更斯超表面的基本概念和原理并总结其在微波天线设计中的应用,重点阐述三种惠更斯超构表面天线技术及其设计案例.最后,展望惠更斯超构表面在天线工程中的广阔应用前景.