超材料完美吸收及其动态调控功能器件研究

作     者：张浩 

作者单位：南京邮电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：章海锋

授予年度：2023年

学科分类：0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：超表面 可调控吸收器 相干吸收 多功能器件 环形偶极子 

摘      要：电磁能量吸收是诸多重要应用的基础,包括光电探测、生物传感、电磁隐身、光谱成像等,超材料吸收器凭借其重量轻,厚度薄,吸收性强等优点使得传统吸收材料逐渐被替代。通信技术的快速发展导致单频和窄带器件满足不了工程应用的需求,此外,无论是传统吸收材料还是超材料吸收器,一旦材料确定,其吸收性能便固定。为满足当下愈加复杂的环境对于设备的高要求,超材料的宽带可调谐性和多功能性无疑是近几年来的研究热点。因此,本文针对传统超材料功能单一,吸收频域较窄且固定等问题开展研究工作。相干完美吸收的提出使得电磁能量吸收可以更加高效,通过操控相干光束的相对相位及光强,实时调控输入光束的吸收。因此,相干完美吸收对入射光的依赖为灵活控制光散射和吸收提供了机会。但是,目前多数所提出的微尺寸结构只能在特定共振频率处或者窄带频域实现相干完美吸收,极大局限了相干完美吸收在各个应用领域的发展。针对该问题,本文提出了拓展相干完美吸收带宽的方法以及实现频率、带宽可重构相干完美吸收的途径。本文第一部分通过将二氧化钒（Vanadium Dioxide,VO2）相变材料和金属相结合,设计了一种工作在太赫兹（Terahertz,THz）波段的温度可调谐吸收超表面,由VO2构成的谐振单元在低温时表现为介质特性(VO2处于绝缘相（Insulating Phase,IP）),在高温时表现为金属特性(VO2处于金属相（Metal Phase,MP）),从而通过外部温度调控实现吸收超表面在THz波段的可调谐吸收。高温状态下,该超表面在4.72～9.88 THz频域范围内的吸收率高于90%,其相对带宽为70.68%。低温状态下,该超表面位于7.91 THz处有一个较高的吸收峰,吸收率为94.2%。而且该超表面具备良好的极化稳定性,所提出的可调控超表面可应用于热探测和THz调制等领域。本文第二部分设计了一种基于重力场调控的超宽带吸收器,通过将液态金属和电阻薄膜相结合,在重力场的调控作用下改变液态金属位于玻璃腔的位置,从而实现该吸收器三种工作状态的动态调控。当该吸收器处于工作状态一时,对于横电（Transverse Electric,TE）波,该吸收器在频带1.8～57.5 GHz内的吸收率高于90%,其相对带宽为187.8%,对于横磁（Transverse Magnetic,TM）波,该吸收器在频带5.6～56.4 GHz内的吸收率高于90%,其相对带宽为158.7%;当该吸收器处于工作状态二时,该吸收器实现极化不敏感的超宽带吸收,吸收率高于90%的工作频域为1.6～45.3 GHz,相对带宽为186.3%;当该当该吸收器处于工作状态三时,该吸收器在频带1.6到60 GHz内的吸收率接近于零,因此该吸收器可根据实际工作的需求动态切换工作性能,而且,该超材料吸收器具有宽入射角的优良特性。与传统的可调谐装置相比,重力场调节以非接触的方式改变吸收器的工作频率,具有易于实现和节约资源的优点,所提出的基于重力场调控的吸收器为设计新型可调控器件提供一种新的设计方法。本文第三部分设计了一种基于光、热动态调控的多功能超表面,通过改变环境温度和外部光强,进而调控VO2的电导率和光敏半导体（Photosensitive Semiconductor,PS）的电导率,从而实现超宽带极化转换和吸收的动态切换,而且可以获得可调谐的极化转换频谱和吸收频谱。通过在介质基板中引入圆柱形空气腔（Cylindrical Air Column,CAC）结构进一步提升该超表面的吸收性能。当该超表面处于极化转换模式时,其极化转化率（Polarization Conversion Rate,PCR）高于90%的工作频域为0.82～1.6 THz,并且通过外部光强调控,该超表面可以在超宽带频域范围内实现0%～90%PCR的调制。通过设定PS的电导率为3×10～4S/m以及外部环境温度,该超表面可切换到吸收模式,实现在频带0.68 THz到1.6 THz频域范围内的吸收率高于90%。此外,通过调控外部光强以及环境温度,该超表面的吸收率可以由90%以上连续调制至接近0。CAC结构的采用为为拓宽吸收带宽提供了可行性的方法,所提出光、热可调控超表面的可以适应更加复杂的应用环境,为THz多功能器件的研发提供了思路。本文第四部分通过采用电阻薄膜和介质-金属复合结构实现超表面的超宽带相干吸收。首先提出一种基于电阻薄膜的超宽带相干吸收超表面（Coherent Absorption Metasurface,CAMS）,通过超表面结构单元中相位延迟线的构建提升超表面的相干吸收性能,实现超宽带相干吸收,其相干吸收率高于90%的吸收频域为7.6～26.51 THz,相对带宽为110.87%,进而优化设计结构,在原有的结构基础上进行延伸,通过提出一种介质-金属复合结构,