基于手性超材料的太赫兹波非对称传输的研究

王锋, 刘星辰, 王政平, 史金辉

(1.哈尔滨工程大学 材料科学与化学工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001; 2.哈尔滨工程大学 理学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

基于手性超材料的太赫兹波非对称传输的研究

王锋1,2, 刘星辰2, 王政平2, 史金辉2

(1.哈尔滨工程大学 材料科学与化学工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001; 2.哈尔滨工程大学 理学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

摘要：为了研究人工电磁超材料的太赫兹波非对称传输特性，设计了一种基于双层连续U形结构的人工电磁超材料，并利用有限元法数值仿真技术研究分析了其非对称传输特性，结果表明在谐振频率为2.9 THz时非对称传输系数可达0.77，由此可知此结构在太赫兹波段具有较好的非对称传输特性；同时对其结构参数进行了优化，选取出合理的结构参数以获得优异的超材料性能。基于双层连续U形结构人工电磁超材料的太赫兹非对称传输器具有结构简单、成本低、制备容易等优点，对实现太赫兹滤波器、太赫兹开关等超材料功能器件具有重大意义。

关键词：电磁超材料；数值仿真；非对称传输；太赫兹波；手性；结构参数

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20151106.1047.004.html

王政平(1949-), 男, 教授,博士生导师;

史金辉(1979-), 男, 副教授,博士.

2001年，科学家首次制作出在微波波段具有负介电常数[1]和负磁导率[2]的超材料(metamaterials)，证明了负折射率现象[3]的存在，自此超材料在国际电磁科学领域引起了广泛的关注[4-6]。太赫兹(THz)波位于毫米波与红外波之间，是宏观电磁理论向微观量子理论过渡的区域，也是电子学向光子学的过渡区域，有重要的学术和应用研究价值[7-12]。长期以来，科研人员一直在寻求可以控制太赫兹波传输的器件。然而常规材料在太赫兹波段具有较弱的电磁响应，特别是磁响应，使得人们在研制太赫兹器件，实现对太赫兹波的探测和操纵时面临很多限制。超材料的出现恰好弥补了这一缺憾。近几年，太赫兹波超材料的研究取得了一系列重要的理论和实验成果，基于超材料的太赫兹开关、调制器、移相器、传感器、探测器、滤波器、吸波器研究陆续出现，显示了超材料在太赫兹技术中的巨大应用潜力[13-14]。

手性材料中线偏振非对称传输现象[15]的发现对偏振功能器件研究具有十分重要的意义，研究者在双层SRR[16]、双层鱼鳞金属线[17]等众多手性结构[18-21]中证明了线偏振波非对称传输现象的存在。非对称传输现象为太赫兹偏振波传输的方向调控提供了新的途径，对实现太赫兹隔离器、太赫兹二极管、太赫兹开关等超材料功能器件具有重大意义。超材料中的非对称传输现象自发现以来，相关研究受到了广泛关注。但是目前这方面研究多局限于圆偏振，有关太赫兹线偏振波转换和非对称传输现象的研究较少。本文设计了一种可以实现太赫兹波非对称传输的超材料功能器件，并分析了其结构参数对器件特性的影响。

1超材料结构设计

本文所设计器件为双层连续U形结构，如图1所示，双层连续U形由中间的基底与双层连续U形金属线构成，由于连续U形的金属线看起来像是一片片的鱼鳞，因此也被称为鱼鳞金属线结构。其特征在于两层连续U形的金属线基本单元结构尺寸相同，结构单元之间的旋转角为90°，由于单层的U型结构不具备二维旋转对称性，而增加了旋转了90°的结构单元后，将产生手性特性，且破坏了z方向的对称性，因此这种结构将具备线偏振非对称传输特性[18-19,22]。超材料单元的单层尺寸结构为:单元周期l=75m，直金属条边长a=24m，金属条宽度w=7m，金属条内径r1=15.25m，外径r2=22.25m；基底厚度t=5m，如图1(a)所示。超材料单元两层间的几何结构关系如图1(b)所示。超材料器件的整体效果如图1(c)所示，为保证图1(c)中各鱼鳞结构单元相同，需满足r1+ r2=l/2，r2-r1=w。

图1　双层连续U形结构Fig.1　Double layer continuous U-shaped structure

2数值仿真研究

利用CST Microwave Studio仿真软件对所设计结构进行了数值仿真研究，以便了解本文所设计器件的电磁特性以及结构参数对非对称传输的影响。数值分析时，所选频率区间设置为2.5~3.5 THz，在材料设置上，金属材料采用金，厚度设为200 nm，基底可以采用单晶硅或者有机高分子聚合物介质材料，为了方便起见，不考虑介质损耗，U形结构的周围环境设置为空气。经数值分析得到器件的透射谱，如图2所示。图2中txx、txy、tyx、tyy分别代表透射矩阵中的4个元素，其中txy与tyx为传输时的交叉偏振转换率， txx与tyy为传输时的同偏振传输系数。

由图2可以看出，双层连续U形结构在2.5~3.5 THz偏振转换率txy≠tyx，显示出良好的非对称传输特性。其中前向传输系数txy在2.9 THz处达到最大值0.88，而这时的前向传输系数tyx只有0.1，前向传输系数txx和tyy也都在0.3左右。这表明，当一束频率为2.9 THz的y偏振波沿-z方向正入射到结构表面时，大部分电磁波耦合到第1层金属结构中，然后由于两层金属结构之间的交叉耦合变为x偏振波出射。而当这束电磁波沿+z方向入射到结构表面时，就不能耦合到结构中，大部分电磁波被反射回去，以至于透射率很低，这就导致了线偏振波的非对称传输。

图2　双层连续U形结构前向传输的仿真结果Fig.2　Simulation results of the forward transmission of the double layer continuous U-shaped structure

图3　双层连续U形结构非对称传输系数Fig.3　Asymmetric transmission coefficients of the double layer continuous U-shaped structure

3器件结构参数对传输特性的影响

通过对双层连续U形结构参数，如直金属条边长a、弯金属条内径r1、基底厚度t等对非对称传输特性的影响进行分析，以便选择合理的器件结构参数来提高超材料的性能。

首先分析直金属条边长a改变所带来的影响。令a分别取20、22、24、26、28m，此时结构的非对称传输系数如图4所示。由图4可以看出， 随着直金属条边长a的增加，谐振频率红移，当a分别取20、22、24、26、28m时，谐振频率对应为3.12、3.01、2.90、2.85、2.71 THz；谐振频率处的峰值也随直金属条边长a的增加而增加，当a=28m时取得最大值0.81，此时非对称传输和线偏振转换效果最佳。

图4　结构直金属条边长a变化时的非对称传输系数曲线Fig.4　Curves of the asymmetric transmission coefficients corresponding to different a (length of the straight metal bar of the structure)

然后，分析弯金属条内径r1改变所带来的影响。令r1分别取14.25、14.75、15.25、15.75、16.25m，相应的直金属条宽度w分别为9、8、7、6、5m，这时结构的非对称传输系数如图5所示。由图5可以看出， 随着弯金属条内径r1的增加，谐振频率蓝移，当r1分别取14.25、14.75、15.25、15.75、16.25m时，谐振频率分别对应为2.88、2.89、2.90、2.92、2.95 THz；谐振频率处的峰值随弯金属条内径r1的增加而减小，r1=14.25m时取得最大值0.88，此时非对称传输和线偏振转换效果最佳。

图5　结构弯金属条内径r1变化时的非对称传输系数曲线Fig.5　Curves of the asymmetric transmission coefficients corresponding to different r1 (radius of the curve metal bar of the structure)

最后分析基底厚度t改变所带来的影响。令t分别取3、4、5、6、7m，这时结构的非对称传输系数如图6所示。由图6可以看出， 随着基底厚度t的增加，谐振频率蓝移，当t分别取3、4、5、 6、7m时，谐振频率对应为2.71、2.80、2.90、2.97、3.03 THz；谐振频率处的峰值随弯金属条内径r1的增加变化并不一致，而是先减小后又增加，当t=3m时取得最大值0.86，此时非对称传输和线偏振转换效果最佳。

图6　结构基底厚度t变化时的非对称传输系数曲线Fig.6　Curves of the asymmetric transmission coefficients corresponding to different t (thickness of the basement of the structure)

由以上分析可以看出，双层连续U结构的谐振频率和非对称传输特性主要由结构参数决定。因此，合理的调整结构参数可以获得良好的效果。

4结束语

本文通过数值研究分析了双层连续U形结构的非对称传输特性，由于单层的U型结构不具备二维旋转对称性，而增加了旋转了90°的结构单元后，将产生手性特性，且破坏了z方向的对称性，因此这种结构将具备线偏振非对称传输特性。经分析计算可知，在谐振频率为2.9 THz时非对称传输系数可达0.77，结果表明此结构具有较好的非对称传输特性。同时分析讨论了结构参数对其非对称传输特性的影响，随着直金属条边长a的增加，谐振频率红移；随着弯金属条内径r1的增加，谐振频率蓝移；随着基底厚度t的增加，谐振频率也将蓝移。由此可以根据具体应用需求选取出合理的直金属条边长、弯金属条内径及基底厚度，以获得优异的超材料性能。工作于太赫兹波段的基于双层连续U形结构的人工电磁超材料，有望制作成太赫兹非对称传输器，可以通过其结构参数来调整器件性能，这样的器件具有结构简单、制备容易、成本低等优点，而且利用现有的微、纳米加工技术可以轻松实现。本文的研究结果对实现太赫兹滤波器、太赫兹偏振功能器件、太赫兹开关等超材料功能器件具有重大意义。

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A study of asymmetric transmission of

terahertz waves based on chiral metamaterials

WANG Feng1,2, LIU Xingchen1, WANG Zhengping1, SHI Jinhui1

(1. College of Materials Science and Chemical Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China; 2. College of

Science, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Abstract：In order to study the THz waves asymmetric transmission characteristics of artificial electromagnetic metamaterials, a metamaterial was designed and constructed in the form of a bilayered continuous U-shaped structure. Its THz waves asymmetric transmission characteristics were then analyzed using finite element simulation. The results show that the asymmetric transmission coefficient can reach 0.77 at around 2.9 THz, with good asymmetric transmission characteristics in the THz waves frequencies. Furthermore, structural parameters of the metamaterial were optimized to obtain promising performance. The THz waves asymmetric transmission device has many advantages, such as simple structure, low cost and easy fabrication. It could provide an important opportunity for developing various metamaterial-based functional devices, for instance, THz waves filters and switches.

Keywords：electromagnetic metamaterial; numerical simulation; asymmetric transmission; THz waves; chirality; structural parameter

通信作者：史金辉,E-mail:shijinhui@hrbeu.edu.cn.

作者简介：王锋(1980-), 男, 讲师,博士研究生；

基金项目：国家自然科学基金资助项目(61201083).

收稿日期：2015-01-29.网络出版日期：2015-11-06.

中图分类号：O431

文献标志码：A

文章编号：1006-7043(2015)12-1638-04

doi:10.11990/jheu.201501046