超材料在太赫茲波段的電磁響應(yīng)特性和潛在應(yīng)用

超材料在太赫茲波段的電磁響應(yīng)特性和潛在應(yīng)用

1ths時域光譜技術(shù)的發(fā)展通過對自然材料的切割、加工和設(shè)計，對電子、光緒和其他元激發(fā)源顆粒的人為控制一直是光學(xué)科學(xué)研究的重點。超材料(metamaterials),也被稱為特異性材料,正是在這樣的背景下提出來的。在廣義上,超材料是一種人工設(shè)計加工的復(fù)合材料,該材料特異的物理性質(zhì)不僅取決于組成材料的本征性質(zhì),還要由亞波長結(jié)構(gòu)決定,而且這些奇特的物理性質(zhì),往往不能通過現(xiàn)有自然材料的本征物理性質(zhì)獲得。例如目前電磁超材料具有負折射率、旋光性、類雙折射、類電磁感應(yīng)透明(EIT,也被稱為超材料誘導(dǎo)透明)、不對稱透射、超吸收等奇特的物理性質(zhì),這些奇特的電磁性質(zhì)與亞波長單元結(jié)構(gòu)和單元排列方式密切相關(guān)。超材料的研究遵循“結(jié)構(gòu)-組分-功能”的三角關(guān)系,可以通過結(jié)構(gòu)的設(shè)計和尺寸的調(diào)整來獲得不同波段、不同物理性質(zhì)的響應(yīng)特性;也可以通過對單元格以及基底材料組分的選擇,實現(xiàn)特定的被動式及主動式的光電功能。隨著微納加工工藝的日益簡化和普及,超材料的相關(guān)研究覆蓋了從微波到可見光波段,吸引了越來越多的科研工作者。太赫茲(THz)輻射的頻率為0.1~10THz,在電磁波譜中位于微波與紅外之間,處于電子學(xué)到光子學(xué)的過渡區(qū)域。有效的THz源和探測器的缺乏導(dǎo)致了THz技術(shù)的研究相對于其他波段要落后得多,曾被稱為THz空隙(THzgap)。而基于超快激光的THz時域光譜技術(shù)的發(fā)展,推動了THz技術(shù)的快速發(fā)展。THz輻射的光子能量很低,不會對被測物質(zhì)產(chǎn)生損傷,可進行無損探測;對大多數(shù)介電物質(zhì)是透明的,可進行透射成像;能夠同時測量THz電場的振幅和相位,從而進一步直接獲得樣品的復(fù)折射率、復(fù)介電常數(shù)以及復(fù)電導(dǎo)率,并可以實現(xiàn)飛秒時間分辨的動力學(xué)分析;很多凝聚態(tài)體系的聲子和其他元激發(fā),以及許多生物大分子的振動和轉(zhuǎn)動能級都處于THz波段,因而,可以通過特征共振對物質(zhì)進行探測和指紋分辨。但是,目前THz波段的功能器件相對較少,限制了THz技術(shù)的進一步發(fā)展。超材料能夠?qū)Hz波的振幅、相位、偏振以及傳播實現(xiàn)靈活多樣的控制,從而提供了一種實現(xiàn)THz功能器件的有效途徑。另一方面,THz時域光譜技術(shù)能夠同時探測電場的振幅和相位,能夠更加全面地測量超材料的電磁響應(yīng)特性,因此,THz技術(shù)和超材料的發(fā)展是相輔相成的。超材料最初提出是為了實現(xiàn)負折射率,通過基于開口環(huán)諧振器(SRRs)的單元結(jié)構(gòu)設(shè)計,可以獲得負介電常數(shù)和負磁導(dǎo)率。隨著研究的深入,超材料單元結(jié)構(gòu)的設(shè)計越來越多樣化,更多的響應(yīng)特性及關(guān)聯(lián)參數(shù)逐漸被發(fā)現(xiàn),如基本組成材料的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響以及傳感器的實現(xiàn);各向異性超材料的偏振依賴性及其對電磁波振幅、相位和偏振態(tài)的調(diào)制,偏振元件的實現(xiàn);本征半導(dǎo)體[17,18,19,20,21,22]、摻雜半導(dǎo)體、超導(dǎo)材料、絕緣體-金屬相變材料、熱敏材料和鐵電材料的引入而實現(xiàn)的光開關(guān)、調(diào)制器;不同結(jié)構(gòu)的組合或者多層結(jié)構(gòu)超材料實現(xiàn)的雙頻、多頻和寬頻共振響應(yīng)[31,32,33,34,35,36,37],吸收體,以及類EIT現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn);制作工藝提高實現(xiàn)的微機械調(diào)制的可重構(gòu)超材料等。這些都顯示了超材料實現(xiàn)THz波控制和THz功能器件的巨大潛力。目前,國內(nèi)外關(guān)于THz波段超材料的綜述多數(shù)側(cè)重于超材料在實現(xiàn)THz波段可調(diào)功能器件中的應(yīng)用,特別是可調(diào)THz功能器件的實現(xiàn)以及基本的電磁響應(yīng)特性和負折射率性質(zhì)。本文從制作工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料選擇幾個方面對超材料的基本性質(zhì)和潛在應(yīng)用的最新發(fā)展進行了綜述,并進一步展現(xiàn)超材料的設(shè)計和加工與其功能實現(xiàn)之間的依賴關(guān)系,期望能夠促進基于超材料的THz功能器件的研究。2光刻加工工藝微納加工技術(shù)的發(fā)展為超材料的制備提供了便利,也進一步促進了超材料的發(fā)展,可以加深對超材料電磁響應(yīng)特性的理解。圖1給出了幾種THz波段超材料的加工方法及其制作流程。這里的光刻技術(shù)(lithography)包含了廣義的光刻加工工藝,如薄膜沉積、金屬結(jié)構(gòu)和非金屬結(jié)構(gòu)的制作技術(shù)等。多次曝光光刻工藝可以制作三維超材料,而結(jié)合微機電系統(tǒng)(MEMS)概念的主動控制超材料的制作可能同時需要用到多層金屬及非金屬結(jié)構(gòu)的套刻技術(shù),從而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)可隨外加激勵動態(tài)變化的可調(diào)諧超材料。模板沉積技術(shù)直接通過金屬沉積來形成超材料結(jié)構(gòu),不需要光刻膠的輔助,雖然簡化了制備程序,提高了制備質(zhì)量,但是沉積過程會造成模板的污染。打印方法和光纖拉絲方法不需要制作掩模板或者模板,簡化了制作過程,但是,其最小制作尺寸受到限制,光纖拉絲方法同時限制了單元結(jié)構(gòu)的設(shè)計。下面結(jié)合實例分別從平面超材料、三維超材料以及主動可調(diào)超材料等方面對太赫茲超材料的最新加工技術(shù)進行闡述。2.1外光、模板、噴墨打印超材料的制備到目前為止,研究最多的是平面超材料,即制作在電介質(zhì)或者半導(dǎo)體基底上的準(zhǔn)二維亞波長金屬結(jié)構(gòu),通常采用光刻的加工方法。如圖1所示,金屬結(jié)構(gòu)的光刻一般是在堅模后進行金屬沉積,再通過去膠獲得所需的金屬結(jié)構(gòu)。光刻技術(shù)的曝光可以選用多種光源,如紫外光、X射線、電子束、離子束、質(zhì)子束等。不同的光源需要選擇不同的光刻膠,并且會有不同的曝光深度,對應(yīng)著不同的金屬沉積方法。紫外曝光獲得的金屬層厚度一般在100nm量級,而質(zhì)子束直寫與電鍍技術(shù)相結(jié)合可使金屬層的厚度在10微米左右。光刻技術(shù)可以獲得幾微米的金屬線寬度,并且樣品均勻性較好,但是制作過程較復(fù)雜。模板沉積技術(shù)也能獲得高質(zhì)量的超材料,金屬通過模板的孔結(jié)構(gòu)直接沉積在基底上,不需要光刻工藝,從而避免了化學(xué)污染,但是模板的制作仍然需要采用光刻加工方法。噴墨打印和激光打印不需要制作掩模板或模板,很大程度地簡化了超材料的制作過程,但是最小的金屬線寬度受到了限制。噴墨打印需要多次打印獲取所需的金屬層厚度,噴墨的不均勻性會導(dǎo)致超材料共振的加寬;激光打印可以改善噴墨的不均勻性,一次獲得微米量級厚度的超材料。2.2多次曝光光刻技術(shù)多層光刻技術(shù)是目前制作三維超材料的主要方法,可以通過電介質(zhì)和金屬結(jié)構(gòu)的交替堆疊、套刻來實現(xiàn)。這種方法的制作過程復(fù)雜,一般只能制作有限幾層來獲得特定的響應(yīng)性質(zhì),主要用于寬帶響應(yīng)超材料和基于超材料的吸收體的制備。另一方面,采用柔性基底,將平面超材料卷成三維形狀也是獲得三維超材料的一種方法。光刻技術(shù)中采用電鍍可以獲得較厚的金屬層,在此基礎(chǔ)上采用多層電鍍,或者電鍍與其他金屬沉積技術(shù)相結(jié)合的多次曝光光刻技術(shù)可以使單元結(jié)構(gòu)豎立在基底平面上。如圖2所示,非手性的SRRs分別制作在剛性和柔性基底上,在只有磁場激勵的情況下,觀察到了很強的磁響應(yīng)。這說明具有二維周期的三維超材料就能獲得明顯的磁響應(yīng),為研究超材料的電磁響應(yīng)特性提供了一種新的方法。多層電鍍還可以用于制作三維手性結(jié)構(gòu),從而實現(xiàn)線偏振電磁波的偏振轉(zhuǎn)換和旋光性。類比光子晶體光纖的制作,光纖拉絲方法也可以用于制作三維超材料。在制作過程中,可以將金屬成分預(yù)埋在預(yù)制棒中,也可以在纖芯拉絲后再進行金屬沉積并纏繞成陣列。以金屬沉積方法為例,如圖3所示,利用直流磁控濺射沉積系統(tǒng),在100μm寬的聚合物方柱的3面沉積了250nm厚的銀涂層,形成了橫截面為U形結(jié)構(gòu)的超材料。在磁場激勵下,觀察到了明顯的磁響應(yīng)。然而,縱向的連續(xù)性導(dǎo)致了空間色散效應(yīng),即磁共振頻率與入射角相關(guān)。利用激光消融方法破壞縱向的連續(xù)性,形成亞波長周期陣列,可以有效抑制空間色散。與光刻相比,光纖拉絲方法限制了結(jié)構(gòu)設(shè)計的靈活性。同時,光纖拉絲的最小尺寸限制了這種方法向高頻的擴展。三維超材料的制作技術(shù)已經(jīng)取得了一定的進展,但是對于大多數(shù)三維超材料來說,傳播方向的尺度還屬于亞波長范圍,大尺度三維材料的加工還面臨著巨大的挑戰(zhàn)。2.3超材料晶圓級封裝結(jié)構(gòu)動態(tài)調(diào)制主動可調(diào)超材料制作通常會涉及非金屬結(jié)構(gòu)的光刻。與金屬結(jié)構(gòu)的光刻不同,非金屬結(jié)構(gòu)的光刻通常要在涂膠前進行薄膜沉積或者選擇帶有薄膜的基底,如硅-藍寶石(SOS,藍寶石上外延硅),并在堅模后通過刻蝕獲得所需結(jié)構(gòu)。在刻蝕過程中,光刻膠起到了保護的作用,所得結(jié)構(gòu)與光刻膠的形狀相同。不同的材料可以選擇不同的沉積方法,如分子束外延生長、磁控濺射、脈沖激光沉積、溶膠凝膠法、離子束沉積等;而常用的刻蝕方法是反應(yīng)離子刻蝕和濕法化學(xué)刻蝕。有的可調(diào)超材料只需要通過在基底和金屬結(jié)構(gòu)之間沉積薄膜即可實現(xiàn)超材料電磁響應(yīng)特性的主動控制。MEMS也被稱為微機械或微系統(tǒng)。MEMS加工技術(shù)不僅包含表面加工技術(shù),還包含體加工技術(shù),如硅基底的刻蝕。與其他可調(diào)超材料不同,MEMS的引入可以實現(xiàn)超材料結(jié)構(gòu)的動態(tài)控制。例如,由熱膨脹系數(shù)不同的氮化硅和金屬組成的懸臂支架可以通過環(huán)境溫度控制單元結(jié)構(gòu)與陣列平面的相對取向來實現(xiàn)對磁響應(yīng)和電響應(yīng)的共振強度的調(diào)諧;覆蓋著磁性材料的柔性懸臂在外加磁場的控制下發(fā)生不同程度的形變,可以實現(xiàn)對超材料共振頻率的調(diào)制。最近,用MEMS方法實現(xiàn)了超材料晶格排列或者單元結(jié)構(gòu)不同組成部分之間距離的動態(tài)調(diào)制,使超材料的共振響應(yīng)隨著耦合的改變發(fā)生變化,是研究超材料單元結(jié)構(gòu)之間和單元結(jié)構(gòu)內(nèi)部耦合的重要方法。以不對稱的SRRs為例,如圖4所示,超材料由兩部分組成,一部分制作在固定的基底上,另一部分制作在與靜電梳齒微驅(qū)動器相連的可移動支撐架上,支撐架的位移與驅(qū)動電壓的平方成正比,通過驅(qū)動電壓控制不對稱SRRs之間的距離,從而實現(xiàn)超材料結(jié)構(gòu)的重組。這種方法除了可以實現(xiàn)共振頻率的動態(tài)調(diào)制和超材料偏振相關(guān)性的改變,還可以實現(xiàn)超材料單元結(jié)構(gòu)內(nèi)部耦合引起的其他效應(yīng)的動態(tài)調(diào)制,如類EIT現(xiàn)象。3結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1電流振蕩并產(chǎn)生等于srrs的多頻響應(yīng)、寬帶響應(yīng)和類eit現(xiàn)象超材料的亞波長結(jié)構(gòu)和單元結(jié)構(gòu)的排列方式對其電磁響應(yīng)的實現(xiàn)起著重要的作用。亞波長結(jié)構(gòu)的設(shè)計靈活多樣,圖5給出了一些平面結(jié)構(gòu)[22,33,34,35,36,40,41,42,43,44,63],中間為基本結(jié)構(gòu),四周為實現(xiàn)多頻共振、寬頻共振和類EIT響應(yīng)的組合結(jié)構(gòu)。超材料基本結(jié)構(gòu)包含金屬線、線對、十字結(jié)構(gòu)、漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)、矩形環(huán)、SRRs等。其中,SRRs是最常用的結(jié)構(gòu),并可以作為基本單元組成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)來獲得特定的電磁響應(yīng)。SRRs本身也有不同的結(jié)構(gòu)形式,不同的對稱性使其具有不同的電磁響應(yīng)特性。最常用的是雙環(huán)SRRs和簡單的單環(huán)SRRs。圖5給出的基本結(jié)構(gòu)分別為金屬線、十字結(jié)構(gòu)、矩形環(huán)、雙環(huán)SRRs、單環(huán)SRRs、電SRRs(eSRRs)和各向同性的SRRs。雙環(huán)SRRs的提出是為了獲得負的磁導(dǎo)率,入射電磁場垂直于SRRs平面的磁場或者平行于開口所在邊的電場都可以激發(fā)環(huán)形電流振蕩,該響應(yīng)可以等效為電感L和電容C形成的LC共振。環(huán)形電流振蕩還可以等效為垂直于SRRs平面的磁偶極子,磁偶極子輻射與入射電磁波的相位延遲導(dǎo)致了SRRs的反磁性,從而產(chǎn)生了負的等效磁導(dǎo)率。同時,SRRs中電場分量和磁場分量之間的耦合使SRRs具有雙各向異性,因此SRRs中等效介質(zhì)的描述需要引入電磁場耦合參數(shù)。即使在正入射的情況下,該電磁場耦合參數(shù)也會對超材料的電磁響應(yīng)產(chǎn)生影響。簡單的單環(huán)SRRs也有相同的性質(zhì)。通過對稱性的增強可以消除這種電磁耦合,這種對稱的SRRs通常被稱為eSRRs,但是這并不意味著eSRRs不存在磁響應(yīng),例如,通過THz波的斜入射,觀察到了對稱eSRRs隨入射角增大而增強的磁響應(yīng)。不同形狀和尺寸結(jié)構(gòu)的組合,如不同SRRs的組合、十字環(huán)與十字結(jié)構(gòu)的組合、多個矩形環(huán)的組合、I形結(jié)構(gòu)的組合、矩形環(huán)與SRRs的組合、金屬短線與SRRs的組合等,是實現(xiàn)多頻響應(yīng)、寬帶響應(yīng)和類EIT現(xiàn)象的重要方法。結(jié)構(gòu)的組合有交叉排列和嵌套兩種方式。交叉排列設(shè)計簡單,但通常會限制組成結(jié)構(gòu)的密度,同時不同結(jié)構(gòu)之間的耦合較弱;嵌套結(jié)構(gòu)增強了不同共振模式之間的耦合。共振模式之間的相互作用可以調(diào)制超材料的電磁響應(yīng)。平面超材料實現(xiàn)的寬帶響應(yīng)一般要求不同結(jié)構(gòu)共振頻率的差值較小,這就在一定程度上限制了共振帶寬。如圖5(h)中的I形組合結(jié)構(gòu),中間結(jié)構(gòu)的水平臂長度與兩側(cè)結(jié)構(gòu)不同,不同頻率的共振模式疊加可以實現(xiàn)寬帶響應(yīng)。隨著兩側(cè)結(jié)構(gòu)水平臂的長度逐漸減小,不同模式共振頻率的差值增大,超材料逐漸表現(xiàn)出多頻共振的性質(zhì)。多共振模式的疊加可以在一定頻率范圍內(nèi)減小這種限制,進一步擴展超材料寬帶響應(yīng)的共振線寬。類EIT現(xiàn)象也可以看作是一種多頻共振,但是一般的多頻共振的超材料由共振頻率不同的結(jié)構(gòu)組成,而類EIT現(xiàn)象中超材料共振一般由共振頻率相同、共振線寬不同的結(jié)構(gòu)組成。另外,相同結(jié)構(gòu)組成的超材料,如圖5(p),通過不同激勵方式也可以實現(xiàn)類EIT現(xiàn)象。當(dāng)入射電磁波的電場沿水平方向時,直接激發(fā)左側(cè)SRRs中的LC共振,然后通過電磁耦合,左側(cè)SRRs激發(fā)右側(cè)SRRs中的LC共振,產(chǎn)生反對稱和對稱兩個LC共振模式。超材料中的類EIT現(xiàn)象主要有直接激發(fā)和間接激發(fā)兩種方式。前者是指電磁場同時激發(fā)共振線寬不同的兩個模式,共振頻率處的相消干涉導(dǎo)致了透明窗口的出現(xiàn),如圖5(q)和5(t)所示的結(jié)構(gòu);后者是指電磁場直接激發(fā)“亮?！?再通過“亮?！迸c“暗模”的電磁耦合激發(fā)“暗?！?如圖5(p)、5(r)和5(s)所示的結(jié)構(gòu)。超材料中類EIT現(xiàn)象的透明窗口具有較大的群速度,是實現(xiàn)慢光的一種重要方法。另外,通過不同結(jié)構(gòu)相對位置的改變或外部激勵,可以改變結(jié)構(gòu)之間的耦合情況,實現(xiàn)類EIT現(xiàn)象的調(diào)制。3.2ths波的成像技術(shù)三維加工技術(shù)的發(fā)展推動了三維超材料的研究進展,如前面提到的超材料的磁響應(yīng)和旋光性。目前,最常用的三維加工技術(shù)是多層光刻技術(shù)。多層金屬結(jié)構(gòu)的超材料可以通過不同共振頻率的單元結(jié)構(gòu)實現(xiàn)多頻和寬帶的電磁響應(yīng);通過雙層結(jié)構(gòu)可以抑制帶通濾波器旁瓣,提高頻率選擇性;通過相同結(jié)構(gòu)的層間耦合可以激發(fā)新的共振模式并可以通過結(jié)構(gòu)的相對取向控制耦合模式的共振頻率;通過不同結(jié)構(gòu)的層間相互作用還可以在共振頻率實現(xiàn)超吸收;通過改變傳播方向的結(jié)構(gòu)對稱性可以實現(xiàn)線偏振電磁波的不對稱透射和旋光性,同時可以控制透射電磁波的偏振態(tài)。在可見光波段,不同相對取向的多層金屬結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了圓偏振片。吸收體可以實現(xiàn)THz波的超吸收,可用于THz波的探測和成像。吸收體一般由兩層金屬構(gòu)成,中間用電介質(zhì)層隔開,主要有兩種不同的設(shè)計方法,如圖6所示,一種是兩層間由兩種不同的金屬結(jié)構(gòu)組成,另一種是由一層金屬結(jié)構(gòu)和一層金屬薄膜構(gòu)成。前者可以通過結(jié)構(gòu)設(shè)計獲得雙向超吸收,后者設(shè)計簡單,并且對THz波有更好的調(diào)制,使透射為零,因此,后者得到了更廣泛的應(yīng)用。同時,由于后者的共振性質(zhì)主要由金屬結(jié)構(gòu)決定,通過對金屬結(jié)構(gòu)的優(yōu)化可以改善吸收體的入射偏振依賴性,或者實現(xiàn)多頻和寬帶吸收,增強了設(shè)計的靈活性。此外,由多層金屬結(jié)構(gòu)和金屬層組成的吸收體也可以實現(xiàn)寬帶吸收。對于吸收體的物理機制,目前有不同的說法。最早提出的是阻抗匹配理論,即入射電磁波在吸收體的兩層金屬上激發(fā)出反向的電流振蕩,形成磁偶極子,從而改變吸收體的等效磁導(dǎo)率,使其波阻抗與空氣的波阻抗相匹配,減小反射。但是,最近有研究發(fā)現(xiàn)金屬層之間的磁響應(yīng)可以忽略,也就是說吸收體的超吸收與層間耦合無關(guān),并提出了改進的法布里-珀羅(FP)共振模型和多次反射干涉理論,由退耦合模型獲得界面處的復(fù)反射系數(shù)和復(fù)透射系數(shù)后,可以定量描述吸收體的反射。金屬和電介質(zhì)的損耗對吸收強度起著重要的作用,但是到目前為止,這種新理論還沒有關(guān)于組成材料的損耗對實現(xiàn)超吸收影響的討論。3.3偏振態(tài)分析超材料的選用超材料結(jié)構(gòu)的對稱性對其電磁響應(yīng)起著重要的作用,不同的結(jié)構(gòu)對稱性可以實現(xiàn)超材料的各向異性、旋光性、不對稱透射性以及對電磁波偏振態(tài)的控制等。當(dāng)電磁波的偏振態(tài)改變時,瓊斯矩陣可以更好地描述超材料的電磁響應(yīng)特性,超材料的透射響應(yīng)和反射響應(yīng)可以分別用透射矩陣和反射矩陣來表示。目前的THz時域光譜系統(tǒng)利用線柵偏振片可以較容易地獲得超材料以線偏振為基的瓊斯矩陣,因此,實驗中一般進行線偏振THz波的測量。通過坐標(biāo)變換,可以將以線偏振為基的瓊斯矩陣轉(zhuǎn)化成以圓偏振為基的瓊斯矩陣。瓊斯矩陣可用于分析超材料的偏振轉(zhuǎn)換(非對角矩陣元)、本征偏振態(tài)、旋光性和圓二向色性(圓偏振瓊斯矩陣的對角矩陣元之間的關(guān)系)、不對稱透射(非對角矩陣元之間的關(guān)系)等電磁響應(yīng),還可以用于分析電磁波的偏振態(tài)。超材料的線偏振瓊斯矩陣會隨著電磁波入射偏振與超材料的相對取向發(fā)生變化,并且新的瓊斯矩陣與原矩陣之間存在對應(yīng)的關(guān)系。因此,利用對稱變換,可以分析瓊斯矩陣元之間的相互關(guān)系,從而進一步分析超材料的對稱性對其電磁響應(yīng)的影響。例如,對于正入射的電磁波,平面手性超材料在基底效應(yīng)可以忽略的情況下是三維非手性的,線偏振瓊斯矩陣的非對角元相等,不具有旋光性和圓二向色性,但是可以觀察到圓偏振THz波的不對稱透射。圖7給出了圓偏振電磁波不對稱透射的示意圖,以右旋圓偏振(RCP)波為例,對于不同方向入射的RCP波,其直接透射分量相同,而偏振轉(zhuǎn)換分量(耦合出的左旋圓偏振波)不同,導(dǎo)致了總透射率的不同,從而實現(xiàn)了圓偏振波的不對稱透射。同時,平面超材料不能實現(xiàn)正入射線偏振電磁波的不對稱透射,必須通過三維手性超材料來實現(xiàn)。由雙層金屬結(jié)構(gòu)組成的手性超材料,當(dāng)兩層金屬結(jié)構(gòu)具有180°旋轉(zhuǎn)對稱性且不存在90°旋轉(zhuǎn)對稱性時,可以只實現(xiàn)線偏振電磁波的不對稱透射,而不存在圓偏振電磁波的不對稱透射,并且線偏振電磁波的不對稱透射強度與入射偏振方向相關(guān)。雖然正入射情況下,平面超材料不存在旋光性和圓二向色性,但是,雙各向異性的平面非手性超材料在斜入射的情況下具有旋光性和圓二向色性,這與斜入射引起的電磁耦合相關(guān),被稱為外部手性,也就是說入射波矢和平面非手性超材料組成的等效結(jié)構(gòu)具有三維手性。因此,在分析超材料對稱性時,入射波矢方向也應(yīng)考慮在內(nèi)。各向異性超材料和手性超材料都可以改變電磁波的偏振態(tài),當(dāng)入射電磁波為線偏振時,就會耦合出垂直入射偏振方向的電磁波分量(瓊斯矩陣的非對角元),即偏振轉(zhuǎn)換效應(yīng)。一般情況下,各向異性引起的偏振轉(zhuǎn)換分量是與入射偏振方向相關(guān)的,而各向同性(90°旋轉(zhuǎn)對稱性)的三維手性超材料引起的偏振轉(zhuǎn)換是與入射偏振方向無關(guān)的,同時,本征偏振態(tài)為圓偏振。另外,各向異性超材料還可以通過改變?nèi)肷淦衽c超材料的相對取向調(diào)制透射電磁波的振幅和相位。超材料對電磁波偏振態(tài)的調(diào)制是實現(xiàn)THz波片的一種可行方法。4材料的組成4.1共振紅移和局部激發(fā)方法超材料一般由制作在電介質(zhì)或者半導(dǎo)體基底上的亞波長金屬結(jié)構(gòu)組成。金屬的電導(dǎo)率會對超材料的共振強度產(chǎn)生影響,導(dǎo)電性越好(同時對應(yīng)著較大的介電常數(shù)實部與虛部的比值),共振越強;另外,金屬厚度在一定范圍內(nèi)的增加也會使共振加強,并且不同的金屬,厚度依賴關(guān)系不同?；撞牧峡梢允莿傂缘?也可以是柔性的;為了獲得較強的透射響應(yīng),基底的吸收越小越好?；椎拇嬖跁?dǎo)致共振紅移,基底的介電常數(shù)越大,超材料共振頻率越低。當(dāng)基底的厚度遠遠小于波長時,基底厚度也會對超材料的共振頻率產(chǎn)生影響,厚度增大引起共振紅移。此時,可把基底和空氣看作等效基底,厚度增大使等效基底的介電常數(shù)增大,從而導(dǎo)致共振紅移。由于超材料的共振響應(yīng)與周圍介質(zhì)的介電常數(shù)密切相關(guān),將待測物質(zhì)覆蓋在超材料上,利用共振紅移可以作為物質(zhì)微量探測的傳感器,可用于生物和化學(xué)分子的高靈敏探測,也可用于各向異性物質(zhì)取向的探測。這種方法不僅可以分辨不同種類的物質(zhì),還可以分辨樣品的厚度和混合樣品的混合比例。結(jié)構(gòu)設(shè)計、基底選擇和探測設(shè)置的優(yōu)化可以提高超材料的探測靈敏度。可通過結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)高品質(zhì)因子共振和強局域場分布,從而有利于探測介電常數(shù)的微小變化和減小樣品用量。由于基底和被測物質(zhì)都會引起超材料的共振紅移,因此減小基底的相對貢獻,如采用低介電常數(shù)和厚度較小的基底,可以提高探測靈敏度。當(dāng)被測物質(zhì)局部覆蓋超材料時,采用近場激發(fā)、遠場探測的方法可以提高探測靈敏度,并可以分辨出不同的樣品尺寸,這種探測方法可以有效減小被測物質(zhì)的用量。對超材料進行功能化處理后,可以將探測分子連接到超材料上,如圖8所示,不同濃度的鏈親和素瓊脂糖(SA)連接在功能化的SRRs上,可以進行生物分子的特異性識別。4.2光激勵對半導(dǎo)體超材料電磁性質(zhì)的影響介電性質(zhì)在外加激勵下可調(diào)的材料,如半導(dǎo)體、超導(dǎo)材料、熱敏材料、相變材料、鐵電材料等,與金屬共同組成亞波長結(jié)構(gòu),或者作為金屬結(jié)構(gòu)的基底,可以實現(xiàn)可調(diào)超材料。有些材料甚至可以代替金屬制作成非金屬超材料。半導(dǎo)體可通過光、電和溫度激勵來控制載流子的濃度,從而改變其介電性質(zhì),在制作可調(diào)超材料中得到了廣泛的應(yīng)用。其中,研究最多的是光激勵。光激勵產(chǎn)生光生載流子,光生載流子的濃度可通過激勵光的功率或者激勵光與入射THz波的相對延遲時間來控制。光敏半導(dǎo)體作為基底,可以通過光激勵控制超材料的共振強度,實現(xiàn)THz波透射的動態(tài)調(diào)制,可用作超快光開關(guān)。光生載流子同時導(dǎo)致了非共振頻域THz波透射的減小,因此,對共振頻域的THz透射起了雙重作用,基底反射的增強使透射減小,而共振強度的減弱使透射增加。一般情況下,隨著激勵光能量密度的增加,超材料的共振強度逐漸減小直至共振消失。但是,最近有研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)入射光的能量密度足夠大時,出現(xiàn)了新的共振模式,可能是由光誘導(dǎo)瞬態(tài)光柵的一階衍射引起的。另一方面,由于半導(dǎo)體基底上覆蓋著金屬結(jié)構(gòu),光激勵產(chǎn)生的自由載流子會存在瞬態(tài)的空間分布。這樣,平面手性結(jié)構(gòu)和光生載流子就形成了等效的三維手性結(jié)構(gòu),可以產(chǎn)生較強的旋光性,即光誘導(dǎo)旋光性。隨著光生載流子的擴散,光誘導(dǎo)旋光性會逐漸消失。半導(dǎo)體還可以作為結(jié)構(gòu)的一部分,與金屬共同組成超材料,不加激勵光時,半導(dǎo)體在結(jié)構(gòu)中基本不起作用;加入激勵光會使半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)(基底一般選用不受激勵光影響的材料)逐漸金屬化,從而導(dǎo)致超材料的等效結(jié)構(gòu)改變,實現(xiàn)了超材料電磁性質(zhì)靈活多樣的調(diào)制,如光激勵可以導(dǎo)致共振頻率的紅移和藍移甚至是多種半導(dǎo)體材料在不同激光激勵下的多模式光調(diào)制、類EIT的強度調(diào)制、三維結(jié)構(gòu)的手性開關(guān)等。圖9以三維手性開關(guān)為例說明了半導(dǎo)體通過光激勵對有效結(jié)構(gòu)的改變。在金屬結(jié)構(gòu)中引入半導(dǎo)體硅來改變單個結(jié)構(gòu)的對稱性,加激勵光之前(黑線),半導(dǎo)體硅對超材料電磁響應(yīng)特性的影響可以忽略,圓二向色性在一定頻率范圍內(nèi)(圖中的陰影區(qū)域)為正,激勵光的加入在硅中激發(fā)出大量的光生載流子,使其具有金屬的性質(zhì),改變了單元結(jié)構(gòu)中不同組成部分對圓二向色性貢獻的相對大小,從而導(dǎo)致圓二向色性和旋光性的反轉(zhuǎn)。半導(dǎo)體既然可以作為結(jié)構(gòu)的一部分,也可以代替金屬制作成半導(dǎo)體超材料,通過光激勵實現(xiàn)其電磁響應(yīng)的調(diào)制。電激勵一般是在金屬結(jié)構(gòu)和基底之間加入一層摻雜半導(dǎo)體薄膜,并將金屬結(jié)構(gòu)單元用金屬線相連,這樣就形成了一個等效的肖特基二極管,如圖10所示。沒有外加偏壓時,導(dǎo)電基底將結(jié)構(gòu)的開口短路,共振很弱;外加偏壓會消耗摻雜半導(dǎo)體中的自由載流子,從而使超材料的共振加強。將這種電激勵超材料做成獨立控制的陣列結(jié)構(gòu),可以實現(xiàn)空間調(diào)制器。另外,有些半導(dǎo)體在THz波段具有類似金屬的性質(zhì),介電常數(shù)(實部為負)可以用德魯?shù)履Ｐ?Drudemodel)來描述,這種半導(dǎo)體代替金屬可以實現(xiàn)半導(dǎo)體超材料。半導(dǎo)體的本征載流子濃度隨溫度減小而降低,從而使其金屬性變?nèi)?可以觀察到半導(dǎo)體超材料中溫度降低導(dǎo)致的共振減弱和紅移。利用半導(dǎo)體介電常數(shù)的溫度相關(guān)性,與金屬共同組成超材料還可以實現(xiàn)超材料共振頻率的寬帶調(diào)制。另外,外加靜磁場會導(dǎo)致半導(dǎo)體與磁場強度相關(guān)的介電常數(shù)的各向異性,進而改變半導(dǎo)體超材料的共振頻率和強度。目前,對于半導(dǎo)體超材料的溫度和磁場調(diào)制,相關(guān)報道都是關(guān)于理論分析和數(shù)值模擬的,還沒有實驗測量的報道。超導(dǎo)材料代替金屬,可以在THz波段實現(xiàn)超導(dǎo)超材料。在轉(zhuǎn)變溫度附近,隨著溫度的增加,超導(dǎo)材料由超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)。在轉(zhuǎn)變溫度以下,外加靜磁場也會破壞超導(dǎo)態(tài),使超導(dǎo)材料逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài),因此,溫度和靜磁場都能調(diào)制超導(dǎo)材料的介電性質(zhì),從而控制超導(dǎo)超材料的電磁共振響應(yīng),實現(xiàn)溫控或磁控開關(guān)。另一方面,超導(dǎo)材料的超導(dǎo)態(tài)是頻率相關(guān)的,存在一個特征頻率,高于特征頻率時,超導(dǎo)態(tài)被破壞,因此,超導(dǎo)超材料的實現(xiàn)是有頻域限制的。相變材料的引入是實現(xiàn)可調(diào)超材料的一種重要方法。二氧化釩(VO2)是一種重要的絕緣體-金屬相變(IMT)材料,可以通過溫度、電、光等方法來激發(fā)相變。VO2薄膜可以與支撐材料共同組成基底,在太赫茲波段也可以代替金屬實現(xiàn)可調(diào)非金屬超材料。VO2具有高度的滯回效應(yīng),也就是說在升溫和降溫的過程中,相同溫度下的介電性質(zhì)不同,因此具有存儲效應(yīng)。利用這種存儲效應(yīng),VO2作為基底的一部分,在電激勵下實現(xiàn)了空間調(diào)制。在外加偏壓下,產(chǎn)生的電流對VO2進行局部加熱使其發(fā)生相變,滯回效應(yīng)在一定程度上保持了VO2介電性質(zhì)的改變,因此,導(dǎo)致了超材料的共振減弱和紅移。在此基礎(chǔ)上,電接觸位置的合理選取可以實現(xiàn)電流的梯度分布,從而使VO2的相變發(fā)生空間分布,實現(xiàn)對THz波的空間調(diào)制。如圖11所示,當(dāng)電接