[论文解读] Ultra-broadband Terahertz Perfect Absorber Based on Multi-frequency Destructive Interference and Grating Diffraction

Cheng Shi, Xiaofei Zang+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2014

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 18被引用 4

一句话总结

本文提出了一种偏振无关、全向的太赫兹完美吸收器，利用多频段相消干涉和光栅衍射实现超宽带吸收。实验结果表明，在 0.75–2.41 THz 范围内吸收率超过 95%，五个不同的吸收峰由于阻抗匹配及多层结构之间的干涉效应而融合为连续的超宽带响应。

ABSTRACT

High absorption in a wide frequency band has attracted considerable interest since their potential applications in frequency spectrum imaging systems and anti-radar cloaking. In this paper, a polarization-independent, ultra-broadband and omnidirectional terahertz absorber is proposed, fabricated and evaluated. It is experimentally demonstrated that an over 95% absorption can be obtained in the frequency range of 0.75~2.41 THz. Attributing to the multi-frequency destructive interference between the layers and the impedance-matching condition of the grating, five successive absorption peaks at 0.88 THz, 1.20 THz, 1.53 THz, 1.96 THz and 2.23 THz merged into a ultra-broadband absorption spectrum.

研究动机与目标

• 设计一种具有超宽带性能的太赫兹吸收器，用于频谱成像和反雷达隐身应用。
• 克服传统基于超材料的吸收器在带宽方面的局限性。
• 在太赫兹波段实现偏振无关和全向吸收。
• 利用多频段相消干涉与光栅衍射拓宽吸收带宽。

提出的方法

• 吸收器结构由具有光栅图案的周期性金属-介质多层膜构成，以实现衍射效应。
• 通过调节各层厚度和折射率，实现层间多频段相消干涉，从而在多个频率上抵消反射波。
• 通过光栅结构实现阻抗匹配，最小化反射并最大化吸收。
• 利用周期性与亚波长结构控制电磁波耦合与相位抵消。
• 通过理论建模与仿真优化各层厚度与周期性，以实现超宽带响应。
• 利用太赫兹时域光谱法对所制备器件进行实验表征，以验证其吸收性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用多频段相消干涉在太赫兹波段实现超宽带吸收？
• RQ2 光栅衍射在增强阻抗匹配与吸收带宽方面起到何种作用？
• RQ3 单一吸收器结构能否在宽太赫兹频带内实现偏振无关与全向性能？
• RQ4 多层结构之间的干涉效应如何促使离散吸收峰融合为连续的超宽带光谱？
• RQ5 在不牺牲效率的前提下，太赫兹吸收器可实现的最大吸收带宽是多少？

主要发现

• 该吸收器在 0.75–2.41 THz 频率范围内实现超过 95% 的吸收率，展现出超宽带性能。
• 在 0.88 THz、1.20 THz、1.53 THz、1.96 THz 和 2.23 THz 处的五个显著吸收峰，由于干涉与衍射效应而融合为连续的超宽带响应。
• 该吸收器表现出偏振无关性与全向响应，在不同入射角度下均保持高吸收率。
• 理论与实验结果高度一致，验证了基于相消干涉与阻抗匹配的设计原理。
• 光栅结构有效增强了阻抗匹配，降低了反射，从而实现超宽带吸收。
• 器件已成功实验制备并测量，证实了其在太赫兹波段预测的超宽带吸收行为。