摘要
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。
超材料吸收器是一种对入射的电磁波实现高吸收率的功能器
可调谐太赫兹超材料吸收器突破在特定频率下对入射波的完美吸收，在超材料吸收器几何结构固定不变的情况下能够实现在多个波带的完美吸收，扩大吸收器的应用范围。目前，研究人员将石墨烯、相变材料和半导体材料添加到超材料吸收器结构中，通过调节电压、温度或光照等外界条件实现超材料吸收器的调
本文设计一种结构新颖简单的多频带可调谐太赫兹超材料吸收器。通过改进超材料结构，在顶层金属谐振环开口处添加光敏半导体硅，讨论超材料的结构参数对超材料吸收器的影响，在最佳结构参数下改变入射光强度调节光敏硅的电导率，在0.5~6 THz范围内，获得12个吸收峰的调制，其中有6处吸收率达到99%的完美吸收，且有10处吸收峰的吸收率超过90%近完美吸收。另外，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。
超材料吸收器的结构如
图1 超材料吸收器结构示意图 （a）吸收器结构单元，（b）单元结构侧视图，（c）超材料谐振器的等效电路图
Fig.1 Structure diagram of metamaterial absorber （a）Absorber structural unit, （b） cell structure side view, （c）equivalent circuit diagram of metamaterial resonator
超材料吸收器的吸收谱根据吸收率公式得出，为超材料的反射率，为超材料的透射率，其中S11和S21为平面波激励下的反射系数和透射系数。在整个太赫兹频率范围内，由于底层金属板的存在，且金属板的厚度远远大于电磁波的趋肤深度，所以超材料整体结构的透射率为
本文利用CST微波工作室软件（CST MWs Studio）对设计的太赫兹超材料吸收器进行数值模拟获得太赫兹超材料吸收器的吸收谱，设置太赫兹波垂直入射超材料，电矢量沿x方向，磁矢量沿y方向。
超材料谐振单元中开口环复合结构等效为常见的LC振荡电
| ， | （1） |
式中：ε0是真空介电常数；εs=aεr+（1-a）εsi为等效介电常数；a是填充系数；εr为聚酰亚胺的介电常数；εsi为半导体硅的介电常数；c，w，g分别为开口谐振环结构的尺寸参数。金属开缝环的等效电感表示为：
| ， | （2） |
式中：μ0为真空磁导率；R，c为
这里设置顶层金属圆环的外半径R = 30 μm，环的径向宽度和中间金属条宽度w = 5 μm，金属条开口间隙g = 3 μm。结构单元的周期a = 70 μm；中间电介质层的厚度b = 7 μm；底层金属板厚度与顶层金膜厚度相同，都为c = 0.2 μm。
图2 无光照时太赫兹超材料吸收器的反射谱和吸收谱
Fig.2 Reflection and absorption spectra of terahertz metamaterial absorbers without illumination
为了更好地理解这种吸收机制，对吸收率较高的0.821 THz和3.929 THz两个吸收频率处的顶层谐振环和底层金属板进行了表面电流监控。
图3 无光照时吸收器的上下表面电流分布 （a）0.821 THz，（b）3.929 THz
Fig.3 The upper and lower surface current distribution of the absorber without illumination （a）0.821 THz, （b）3.929 THz
为了研究在无光照的情况下超材料结构参数对太赫兹波吸收的影响，改变超材料结构的开口间隙、线宽和介质层厚度。如
图4 不同结构参数下超材料的吸收光谱 （a）不同开口长度的吸收率曲线图，（b）不同线宽的吸收率曲线图，（c）不同介质层厚度的吸收率曲线图
Fig.4 Absorption spectra of metamaterials with different structural parameters （a） Absorption curves of different opening lengths, （b） absorption curves of different line widths, （c） absorption curves of different thickness of dielectric layers
由
在上述超材料吸收器中，通过改变超材料的结构参数实现了吸收器的吸收频率和吸收强度的调制，但这种调控方法在实际应用中还存在着制作不方便和成本高等明显的缺陷。因此，本文通过对超材料中光敏半导体硅进行不同光强的照射来实现超材料吸收器的调制，光照频率范围为可见光至近红外光，如
图5 光敏硅的特性 （a）光谱特性，（b）光照特性
Fig.5 Characteristics of photosensitive silicon, （a） spectral characteristics，（b） illumination characteristics
对
图6 硅在不同电导率下的太赫兹超材料吸收谱
Fig.6 Terahertz metamaterial absorption spectra of silicon at different conductivities
为了进一步研究本文所设计的超材料吸收器的可调谐性能，分别对吸收率调制深度（D）和相对带宽（B）进行分析，表达式如
| ， | （3） |
| ， | （4） |
式中Amax和A min分别为在不同电导率时超材料吸收率的最大值和最小值，f1和f2分别为高频和低频对应的最大吸收率时的频率。根据公式计算结果，设计的太赫兹超材料吸收器的吸收率调制深度（D）和相对带宽（B）分别为85.9 %和85.5%，显示出较强的可调协特性。
为了研究受光照时吸收峰产生的机理，对吸收率超过90%的吸收频率进行了表面电流监测，结果如
图7 光照时吸收器的上下表面电流分布 （a）4.997 THz，σ =880 S/m；（b）1.846 THz，σ =1650 S/m；（c）3.091 THz，σ =1650 S/m；（d）5.676 THz，σ =5840 S/m；（e）1.197 THz，σ =1.055×1
Fig.7 The upper and lower surface current distributions of the absorber with illumination （a）4.997 THz，σ =880 S/m；（b）1.846 THz，σ =1650 S/m；（c）3.091 THz，σ =1650 S/m；（d）5.676 THz，σ =5840 S/m；（e）1.197 THz，σ =1.055×1
设计了一种结构简单的光激励多频带可调谐太赫兹超材料吸收器，在顶层类似环扣结构的金属谐振环开口处添加光敏半导体硅，通过调节顶层超材料结构的开口间隙、线宽和中间介质层厚度，在0.5~6 THz范围内，无光照时单个超材料吸收器可获得至少8个吸收峰，但最多同时也只能获得2个完美吸收峰，且吸收峰只是较为简单的平移或较之前的吸收峰的吸收增强，调节范围有限。为了增强可调节度，基于最佳结构参数，有光照时通过控制入射光强度调节光敏半导体硅的电导率，当光敏半导体硅的电导率从1 S/m增长到1.9×1
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