阅读说明：本技术 一种宽频超材料吸波器的设计 (Design of broadband metamaterial wave absorber ) 是由 王红燕 胡丹 马永康 于 2020-06-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种宽频超材料吸波器的设计,属于太赫兹技术领域的吸波器件。该吸波器件为三维周期性结构,其结构组成从下至上依次为：金属层(1)、介质层(2)和结构化石墨烯层(3)。本发明通过有限频域差分方法计算模拟出石墨烯对太赫兹波的吸收频谱,对吸波器件结构进行优化,得到理想的宽带吸收效果。本发明结构简单、易于加工；仅通过单层结构化石墨烯材料便可实现吸收率在90％以上,带宽为0.63THz的吸波器件。(The invention discloses a design of a broadband metamaterial wave absorber, and belongs to wave absorbing devices in the technical field of terahertz. The wave absorbing device is of a three-dimensional periodic structure, and the structure composition of the wave absorbing device is from bottom to top in sequence: the graphene layer structure comprises a metal layer (1), a dielectric layer (2) and a structured graphene layer (3). According to the invention, the absorption spectrum of the graphene to the terahertz waves is calculated and simulated by a finite frequency domain difference method, and the structure of the wave absorption device is optimized to obtain an ideal broadband absorption effect. The invention has simple structure and easy processing; the wave absorbing device with the absorption rate of over 90 percent and the bandwidth of 0.63THz can be realized only by using the single-layer structured graphene material.)

一种宽频超材料吸波器的设计

技术领域

本发明涉及太赫兹技术领域，具体涉及一种宽频超材料吸波器的设计。该吸波器结构能实现宽频吸收、大角度宽频吸收以及极化不明感的特性，可用于太赫兹波段的太赫兹探测，太赫兹成像、太赫兹隐身等领域。

背景技术

太赫兹波一般是指频率介于0.1～10THz范围内的电磁波，位于红外波和微波之间。由于太赫兹波具有许多独特性质，如瞬态性、宽带性、低能性、相干性等，使得它在基础研究领域、工业应用领域、医学领域、军事领域、生物领域以及通信领域中都具有重要的应用前景。目前，太赫兹波产生源与太赫兹波检测被公认为是制约太赫兹技术发展的两大关键问题。而太赫兹波的吸收和能量捕获是实现太赫兹检测的基础，也是太赫兹波标定、调控、转换和应用的核心问题。因此，太赫兹宽频吸收技术成为了当前太赫兹技术领域研究的热点之一。

近年来，基于超材料的太赫兹吸波器受到人们的关注，这是因为它在微型测辐射热仪、太赫兹成像、太赫兹隐身技术、太赫兹通信、食品安全等领域具有重要的应用前景。在许多应用中，往往需要的是太赫兹宽频吸收来制备传感器、调制器、微型测辐射热计和宽频抗反射膜等宽频太赫兹功能性器件。

本发明在石墨烯的基础上构建宽带超材料太赫兹吸波器。利用这种结构制备的吸波器具有宽频高吸波率、大入射角度、极化不敏感、厚度薄等特点。

发明内容

为了克服以上技术问题，本发明提供一种宽频超材料吸波器的设计，实现在较宽频率范围内达到高吸收的目的。

为实现上述目的，本发明可以通过以下技术方案来实现：一种宽频超材料吸波器的设计，其特征在于：吸波器件为三维周期性结构，其结构组成从下至上依次为：金属层(1)、介质层(2)和结构化石墨烯层(3)。

所述金属层(1)的材质为金、银、铜或铝，厚度为0.5微米。

所述介质层(2)为二氧化硅，厚度为31微米。

所述结构化石墨烯层(3)由四个形状完全相同的石墨烯梭形片构成。

所述四个形状完全相同的石墨烯梭形片首尾相连构成一个圆形结构。

所述结构化石墨烯层(3)为单层原子排列结构。

所述结构化石墨烯层(3)的费米能级为0.5eV，驰豫时间为0.3ps。

所述金属层(1)作为反射镜使用。

本发明的有益效果是：

(1)本发明可实现宽频太赫兹波吸收，吸收带宽为0.63THz，吸收效率高于90％。

(2)本发明结构简单，具有一般性，通过尺度变换能够用于中红外、远红外、微波或其他波段的电磁波吸收。

(3)本发明具有结构简单紧凑，完美对称，易于实现，还可以使吸波器具有极化不敏感特性。

附图说明

图1：本发明实施例的单元结构示意图。

图2：本发明实施例的单元结构俯视图。

图3：不同极化波正入射时吸波器的吸收频谱。

图4：水平极化波斜入射时吸波器的吸收频谱。

图5：垂直极化波斜入射时吸波器的吸收频谱。

以上图片中含有：p＝40微米；t_m＝0.5微米；t_d＝31微米。

1：金属；2：二氧化硅；3：结构化石墨烯。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

图1和图2分别为本发明实施例的单元结构示意图和俯视图，采用长和宽为p，厚度为t_m的铜作为金属层(1)，厚度为t_d的二氧化硅作为介质层(2)，结构化石墨烯层(3)由四个形状完全相同的石墨烯梭形片构成，且四个形状完全相同的石墨烯梭形片首尾相连构成一个圆形结构。

该吸波器结构的工作原理可通过如下内容解释：本发明中采用大于趋肤深度的铜作为金属层，使得入射光不能透过只能被反射回去，因此吸收率计算公式为A(ω)＝1-R(ω)。由于石墨烯的金属性，与电磁波作用能与金属一样产生表面等离子体，结构化石墨烯层与入射电磁波发生作用，产生电共振；结构化石墨烯层与金属层间距离足够近(仅31微米)，它与金属层之间产生很强的耦合，形成反向平行的电流产生磁共振。调节结构的尺寸参数，当电、磁共振使得介电常数与磁导率相等时，结构的阻抗与自由空间中的阻抗相匹配，就可以使得反射率为零。此时结构中引入适量损耗，使得结构的辐射损耗与本征吸收速率相等时，就能实现最大限度的电磁波吸收。

图3为不同极化波正入射时吸波器的吸收频谱。这里设定石墨烯的化学势为0.5eV，驰豫时间为0.3ps。可以看出本发明的吸波器结构对入射的太赫兹波具有较强吸收特性，吸收率大于90％的带宽达0.63THz，相对带宽约为50％，并且该吸波器对极化方式不敏感，在水平极化和垂直极化下的吸收频谱完全相同。

图4和图5分别为水平极化波和垂直极化波斜入射时吸波器的吸收频谱，该吸波器在入射角为50°时依然可以实现吸收率大于80％的带宽达0.6THz。

综上所述，本发明之吸波器结构的吸收频段、吸收率及不同极化斜入射吸波性能可设计特点明显，可通过介质层厚度、结构化石墨烯层参数的调节适应不同的应用环境和性能需求；吸波器结构采用石墨烯、铜和二氧化硅三种成本低、易得的原材料，具有良好的经济可承受性，可广泛应用于太赫兹波段的宽频隐身材料、吸波蒙皮及吸波器件等领域。