太赫兹波段(Terahertz, THz)的电磁波是指频率在0.1 THz到10 THz之间,波长在30微米到3毫米的电磁波。太赫兹波具有独特的物理特性,可用于高分辨率成像、安全检查、生物医学检测等领域。然而,由于自然界中适合太赫兹波段的材料非常有限,研究人员一直致力于开发适合该波段的新型光学元件和器件。 近年来,人们开始关注一种名为“超材料”(Metamaterials)的二维等效结构——超表面(Metasurfaces)。超表面是超材料的一种简化形式,它可以实现亚波长尺寸结构对电磁波的振幅、相位和偏振态的调节。这一特性使得超表面在从微波到光学频率,特别是在太赫兹频段有着广泛的应用潜力。 研究者们已经成功地将超表面应用于太赫兹波段的多种光学元件,例如波束偏转器、透镜、波片、分光器和吸波器等。自Landy等人首次实验展示超材料吸波器以来,这些器件已经经历了快速发展,并在选择性热发射、隐身技术等领域展现出广泛的实际应用前景。 在本研究中,研究者们提出了一个基于双元表面的多重共振的超宽带太赫兹吸收器。这种吸收器由两层堆叠的超表面构成,底层超表面由四种不同几何形状的多重交叉谐振器组成,在一个薄的聚酰亚胺层上实现带宽为3.80 THz且在高频处吸收率超过50%的宽带吸收。而上层超表面包括两种不同尺寸的多重交叉谐振器,在一个相对较厚的聚酰亚胺层上提供了一个低频吸收带。此外,上层超表面还引入了一个Salisburys屏幕吸收峰,以连接两个超表面的吸收带,从而实现了一个超宽带的吸收效果。 实验所得到的双元超表面的吸收光谱显示,吸收带宽达到了4.46 THz,同时吸收率超过了50%,并且全宽半高最大值(FWHM)为97.7%。这种超宽带吸收器将有望成为太赫兹宽带检测的一个非常有前景的候选者。 超宽带太赫兹吸收器的设计与实现涉及多个领域的知识,包括电磁理论、材料科学、微纳加工技术以及光电子器件。研究者们通过精确设计谐振器的尺寸和排列,利用电磁波与超表面的相互作用实现超宽带的吸收效果。这些工作不仅推动了太赫兹技术的发展,还展示了利用现代微纳加工技术实现先进光学功能的巨大潜力。随着技术的不断进步和优化,基于超表面的太赫兹吸收器在未来的通信、成像以及安全监测等领域将有着广阔的应用前景。
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