《光学仪器》：超材料完美吸波器研究进展(上海理工大学：杜永好、曹曙桦、王琦、张大伟)

第41卷第2期 光学仪器 Vol. 41. No. 2 2019年4月 OPTICAL INSTRUMENTS April, 2019 文章编号:10563019080 Dol:10.3969isn.1005-5630.201902014 超材料完美吸波器研究进展 杜永好2,曹曙桦2,王琦2,张大伟 理工大学教育部光学仪器与系统工程研究中心,上海200093; 2.上海理工大学上海市现代光学系统重点实验室,上海200093) 摘要:超材料是一种人工复合材料,一般是由金属和电介质周期性排列的单元结构所构成, 它具有天然材料不具备的某些特殊电磁性质。超材料的电磁响应不仅由它的构成材料决定, 也与其谐振单元的微结构和排列方式有关。基于超材料设计的完美吸波器通过合理改变谐振 单元的微结构参数和排列方式可以实现对特定波长的电磁波接近100%的吸收。超材料完美 吸波器(PMA)具备设计灵活、响应可调、厚度小、吸波强等优点,通过设计合理的结构可以 实现超宽带宽和极窄带宽,可以广泛应用于隐身材料、频率选择表面、太赫兹成像、智能通 信、光电检测等领域。本文结合国内外研究现状,综述了PMA的研究近况与发展前景,以期 获得对PMA更全面的理解。最后对PMA的发展趋势和应用前景进行了深入探讨,多功能、 结构简单的新型PMA是未来的发展趋势。 关键词:超材料;吸波器;电磁响应;带宽 中图分类号:TB133文献标志码:A Progress in the development of metamaterial perfect absorber CAO Shuhua", WANG Qi, ZHANG Day (1. Engineering Research Center of Optical Instruments and Systems(MOE), University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China; 2. Shanghai Key Laboratory of Modern Optical System, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China) Abstract: The metamaterial is an artificial composite material. It is generally composed of a unit structure in which metals and dielectrics are periodically arranged. It has certain special electromagnetic properties that are not available in the natural materials. The electromagnetic response of metamaterials is determined not only by its constituent materials but also by its microstructure and arrangement. The perfect absorber based on metamaterial design can achieve 收稿日期:2018-07-26 基金项目:国家自然科学基金(61378060、61205156);国家重大科学仪器设备(2012YQ170004);上海市教育委 员会科研创新项目(14YZ095) 作者简介:杜永好(199-),男,硕士研究生,研究方向为导模共振传感器。E-mai:1229700061@qq com 通信作者:王琦(1984-),女,副教授,研究方向为微纳光学器件。E-mail:shel3030@163.com

文章编号：1005-5630(2019)02-0080-09 DOI: 10.3969/j.issn.1005-5630.2019.02.014 超材料完美吸波器研究进展 杜永好1,2，曹曙桦1,2，王 琦 1,2，张大伟1,2 （1．上海理工大学 教育部光学仪器与系统工程研究中心，上海 200093； 2．上海理工大学 上海市现代光学系统重点实验室，上海 200093） 摘要：超材料是一种人工复合材料，一般是由金属和电介质周期性排列的单元结构所构成， 它具有天然材料不具备的某些特殊电磁性质。超材料的电磁响应不仅由它的构成材料决定， 也与其谐振单元的微结构和排列方式有关。基于超材料设计的完美吸波器通过合理改变谐振 单元的微结构参数和排列方式可以实现对特定波长的电磁波接近 100% 的吸收。超材料完美 吸波器 (PMA) 具备设计灵活、响应可调、厚度小、吸波强等优点，通过设计合理的结构可以 实现超宽带宽和极窄带宽，可以广泛应用于隐身材料、频率选择表面、太赫兹成像、智能通 信、光电检测等领域。本文结合国内外研究现状，综述了 PMA 的研究近况与发展前景，以期 获得对 PMA 更全面的理解。最后对 PMA 的发展趋势和应用前景进行了深入探讨，多功能、 结构简单的新型 PMA 是未来的发展趋势。 关键词：超材料；吸波器；电磁响应；带宽 中图分类号：TB 133 文献标志码：A Progress in the development of metamaterial perfect absorber DU Yonghao1,2，CAO Shuhua1,2，WANG Qi1,2，ZHANG Dawei1,2 （1. Engineering Research Center of Optical Instruments and Systems (MOE), University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China; 2. Shanghai Key Laboratory of Modern Optical System, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China） Abstract: The metamaterial is an artificial composite material. It is generally composed of a unit structure in which metals and dielectrics are periodically arranged. It has certain special electromagnetic properties that are not available in the natural materials. The electromagnetic response of metamaterials is determined not only by its constituent materials but also by its microstructure and arrangement. The perfect absorber based on metamaterial design can achieve 收稿日期 ：2018-07-26 基金项目 ：国家自然科学基金 (61378060、61205156)；国家重大科学仪器设备 (2012YQ170004)；上海市教育委 员会科研创新项目 (14YZ095) 作者简介 ：杜永好 (1992 —)，男，硕士研究生，研究方向为导模共振传感器。E-mail：1229700061@qq. com 通信作者 ：王 琦 (1984—)，女，副教授，研究方向为微纳光学器件。E-mail：shelly3030@163.com 第 41 卷 第 2 期 光 学 仪 器 Vol. 41，No. 2 2019 年 4 月 OPTICAL INSTRUMENTS April，2019

第2期 杜永好,等:超材料完美吸波器研究进展 close to 100% absorption of electromagnetic waves of a specific wavelength by rationally changing the microstructure parameters and arrangement of the resonant units. Perfect metamaterial absorber (PMA), with the advantages of flexible design, adjustable response, small thickness, strong wave absorption, etc, is possible to achieve ultra-wide bandwidth and extremely narrow bandwidth hrough a well-designed structure, which can be widely used for stealth materials, frequency selective surfaces, terahertz imaging, intelligent communications, photoelectric detection, and other fields. This review summarizes the research status and development prospects of PMa on the basis of comprehensive research status at home and abroad in order to obtain a more comprehensive understanding of PMA. Finally, the PMa development trend and application prospects are thoroughly discussed. The new PMA with multi-function and simple structure is the future development trend Keywords: metamaterial; absorber; electromagnetic response; bandwidth 引言 lPMA的研究历程 超材料奇异的电磁性质,使其在光学材料 完美吸波器的概念最早是由 Landy等在 雷达和隐身材料等方面存在着广泛的应用前2008年提出来的,经过理论和实验研究后发现 景。而基于电磁超材料设计的超材料完美吸波PMA可以完全吸收辐射到其表面的电磁波的电 器(PMA)是指能对位于工作波长的电磁波进行场分量和磁场分量,这种吸波器可以达到近 有效吸收的器件,它不仅可以应用于国防御100%的吸收,因此受到广泛的关注。此后随着 体系中,也可以应用到我们的日常生活中,为我 国内外研究的不断深入,PMA得到迅速的发 展,从最初的单频吸波器到双频吸波器再到多 们的生活提供极大的便利。超材料完美吸波器频吸波器,由偏振敏感PMA到后来的偏振不 般采用经典的三层结构,顶层为周期性金敏感PMA門。过去的几年中,由于生物传感和 属结构,中间层为具有一定厚度的电介质或者化学探测的需求,中红外吸波器的发展及应用研 绝缘体材料,底层采用厚度远大于电磁波在金究得到了大家的高度重视 属中趋肤深度的连续金属膜,可以起到阻挡电 1.1单频PMA 磁波透射的作用。通过合理优化结构参数,可 以实现器件工作波长的改变和吸收参数的调节。 常见的单频PMA结构一般都是典型的“金 这样优异的特性可以使超材料完美吸波器在生属图案层一介质层一金属平面层”三层三明治结 物传感器、滤波器H、太阳能光伏和光电构。2008年Tao等利用表面微加工工艺制作 检测等领域得到很好的应用和发展。从电磁波的PMA在13TH处可以达到70%的吸收。随 吸收频带来看,PM可以分为窄带吸收和宽后该课题组通过优化设计证明该结构可以在很宽 带吸收,另外还有单频带、双频带、多频带等的入射角范围内对TE和TM波都有很好的吸收 效果,并且在16THz频率处吸收率达到了 多种电磁波吸收模式。从偏振敏感情况来看 97%,如图1所示。与之前的结构相比,不仅 可以分为入射角偏振敏感和入射角偏振不敏感大幅提高了吸收率,制作工艺也相对简单。 PMA。本文主要对PMA的研究与发展历程、结 2016年,密歇根大学的 Chang等提出了 构特征、性能特点等进行了分类综述,并探讨基于光子超晶体的导模共振效应的PMA。结构 了PMA发展趋势、应用前景以及目前亟需解决如图2(a所示,由光子超晶体、介质层和金属 的问题。 反射层组成。研究发现在TM偏振、正入射的情

close to 100% absorption of electromagnetic waves of a specific wavelength by rationally changing the microstructure parameters and arrangement of the resonant units. Perfect metamaterial absorber (PMA), with the advantages of flexible design, adjustable response, small thickness, strong wave absorption, etc., is possible to achieve ultra-wide bandwidth and extremely narrow bandwidth through a well-designed structure, which can be widely used for stealth materials, frequency selective surfaces, terahertz imaging, intelligent communications, photoelectric detection, and other fields. This review summarizes the research status and development prospects of PMA on the basis of comprehensive research status at home and abroad in order to obtain a more comprehensive understanding of PMA. Finally, the PMA development trend and application prospects are thoroughly discussed. The new PMA with multi-function and simple structure is the future development trend. Keywords: metamaterial；absorber；electromagnetic response；bandwidth 引 言 超材料奇异的电磁性质，使其在光学材料、 雷达和隐身材料[1] 等方面存在着广泛的应用前 景。而基于电磁超材料设计的超材料完美吸波 器 (PMA) 是指能对位于工作波长的电磁波进行 有效吸收的器件，它不仅可以应用于国防防御 体系中，也可以应用到我们的日常生活中，为我 们的生活提供极大的便利。超材料完美吸波器 一般采用经典的三层结构[2]，顶层为周期性金 属结构，中间层为具有一定厚度的电介质或者 绝缘体材料，底层采用厚度远大于电磁波在金 属中趋肤深度的连续金属膜，可以起到阻挡电 磁波透射的作用。通过合理优化结构参数，可 以实现器件工作波长的改变和吸收参数的调节。 这样优异的特性可以使超材料完美吸波器在生 物传感器[3]、滤波器[4]、太阳能光伏[5] 和光电 检测等领域得到很好的应用和发展。从电磁波 吸收频带来看，PMA 可以分为窄带吸收和宽 带吸收，另外还有单频带、双频带、多频带等 多种电磁波吸收模式。从偏振敏感情况来看， 可以分为入射角偏振敏感和入射角偏振不敏感 PMA。本文主要对 PMA 的研究与发展历程、结 构特征、性能特点等进行了分类综述，并探讨 了 PMA 发展趋势、应用前景以及目前亟需解决 的问题。 1    PMA 的研究历程 完美吸波器的概念最早是由 Landy 等 [6] 在 2008 年提出来的，经过理论和实验研究后发现 PMA 可以完全吸收辐射到其表面的电磁波的电 场分量和磁场分量，这种吸波器可以达到近 100% 的吸收，因此受到广泛的关注。此后随着 国内外研究的不断深入，PMA 得到迅速的发 展，从最初的单频吸波器到双频吸波器[7] 再到多 频吸波器[8]，由偏振敏感 PMA 到后来的偏振不 敏感 PMA[9]。过去的几年中，由于生物传感和 化学探测的需求，中红外吸波器的发展及应用研 究得到了大家的高度重视。 1.1    单频 PMA 常见的单频 PMA 结构一般都是典型的“金 属图案层—介质层—金属平面层”三层三明治结 构。2008 年 Tao 等 [10] 利用表面微加工工艺制作 的 PMA 在 1.3 THz 处可以达到 70% 的吸收。随 后该课题组通过优化设计证明该结构可以在很宽 的入射角范围内对 TE 和 TM 波都有很好的吸收 效果，并且在 1.6 THz 频率处吸收率达到了 97%[11]，如图 1 所示。与之前的结构相比，不仅 大幅提高了吸收率，制作工艺也相对简单。 2016 年，密歇根大学的 Chang 等 [12] 提出了 基于光子超晶体的导模共振效应的 PMA。结构 如图 2(a) 所示，由光子超晶体、介质层和金属 反射层组成。研究发现在 TM 偏振、正入射的情 第 2 期 杜永好，等：超材料完美吸波器研究进展 • 81 •

光学仪器 第41卷 况下,在12.62μm波长处可以达到9997%的吸 Salisbury屏。该结构的PMA可以和石墨烯结合 收,如图2(b)所示。由于光子超晶体实际上可制成光调制器,也可以用于增强石墨烯的光吸 以看作一个超表面,所以该PMA可以等效看作收,应用于石墨烯探测器等领域。 0.8 喜 0.4 0.790 0.80°:0.999 40°:0.990 80°:0.99 (a)结构示意图 (b)吸收光谱 图1Ta等提出的PMA 9 h-bN slab 0 012.212412612.813.013.2 (a)结构示意图 (b)吸收光谱图 2 Chang等提出的结构 Fig.2 The structure proposed by Chang et al2 1.2双频PMA 提出了一种结构简单的宽角度、极化不敏感的双 频红外PMA。该PMA比以前的PMA结构更简 2010年,Tao等将两个电场耦合谐振器单,制备程序也相对简化。该团队设计的PMA (ELC)组合在一起,设计出一种双频吸波器,结结构为三层结构,底层为基板,中间层为SC介 构如图3(a)所示,在理论计算中该PMA在14THz质层,上层为双L形的金结构。他们的一组模拟 和29THz处达到了完美吸收。吸收谱图如图计算结果显示,在方位角φ=0°、人射角0=45° 3(b)所示。通过实验制备样品后发现在141THz时,在T波模式下,该PMA在5.86μm处的 处可以达到85%的吸收率,在3.02THz处可以吸收率可以达到9998%,在754μm处吸收率 达到94%的吸收率。哈尔滨工业大学Bai等叫可以达到9996%;在TM波模式下,该PMA在

况下，在 12.62 μm 波长处可以达到 99.97% 的吸 收，如图 2(b) 所示。由于光子超晶体实际上可 以看作一个超表面，所以该 PMA 可以等效看作 Salisbury 屏。该结构的 PMA 可以和石墨烯结合 制成光调制器，也可以用于增强石墨烯的光吸 收，应用于石墨烯探测器等领域。 (a) 结构示意图 (b) 吸收光谱图 0.8 0.6 0.4 0.2 0 Absorption 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 Frequency/THz 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 Absorption E H H E 0°: 0.999 10°: 0.998 20°: 0.997 30°: 0.994 40°: 0.990 50°: 0.998 60°: 0.991 70°: 0.997 80°: 0.997 0°: 0.999 10°: 0.998 20°: 0.993 30°: 0.980 40°: 0.950 50°: 0.891 60°: 0.790 70°: 0.629 80°: 0.383 g w c b a t1 t2 图 1   Tao 等 [10] 提出的 PMA Fig. 1    The PMA proposed by Tao et al[10] (a) 结构示意图 (b) 吸收光谱图 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 Absorption 12.0 12.2 12.4 12.6 12.8 13.0 13.2 Wavelength/μm 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 Total absorption 0 40 60 80 20 Incidence angle/(°) Si grating h-BN slab Si spacer Au reflector z x PHC slabMetasurface Si spacer Au reflector Total absorption Absorption in Au Total absorption (grating removed) 图 2   Chang 等 [12] 提出的结构 Fig. 2    The structure proposed by Chang et al[12] 1.2    双频 PMA 2010 年，Tao 等 [13] 将两个电场耦合谐振器 (ELC) 组合在一起，设计出一种双频吸波器，结 构如图3(a) 所示，在理论计算中该PMA 在1.4 THz 和 2.9 THz 处达到了完美吸收。吸收谱图如图 3(b) 所示。通过实验制备样品后发现在 1.41 THz 处可以达到 85% 的吸收率，在 3.02 THz 处可以 达到 94% 的吸收率。哈尔滨工业大学 Bai 等 [14] 提出了一种结构简单的宽角度、极化不敏感的双 频红外 PMA。该 PMA 比以前的 PMA 结构更简 单，制备程序也相对简化。该团队设计的 PMA 结构为三层结构，底层为基板，中间层为 SiC 介 质层，上层为双 L 形的金结构。他们的一组模拟 计算结果显示，在方位角 φ=0°、入射角 θ=45° 时，在 TE 波模式下，该 PMA 在 5.86 μm 处的 吸收率可以达到 99.98%，在 7.54 μm 处吸收率 可以达到 99.96%；在 TM 波模式下，该 PMA 在 • 82 • 光 学 仪 器 第 41 卷

第2期 杜永好,等:超材料完美吸波器研究进展 ·83· 603μm处的吸收率可以达到9834%,在7.59μm好的偏振不敏感性能。该团队利用电子束光刻技 处的吸收率可以达到989%,该PMA显示出良术(ELB)和金属剥离的方法制备了该PMA。 2 自 Frequency/THz (a)结构示意图 (b)吸收光谱图 图3Ta等提出的PMA Fig3 The PMA proposed by Tao et al"s 13多频PMA 示。2013年,Hu等设计出一种极化不敏感、 高吸收的四频段的太赫兹波PMA。该吸波器的 2013年 Zhang等通过使用多重正方形金结构由金属薄膜层、第一介质层、金属十字架 属等离激元结构,实验证明可以实现多波段处近 乎完美的红外光吸收。在两个独立波长的双波第二介质层和金属谐振器共五层结构组成。仿真 长PMA中可以实现在349μm处994%和487 结果显示在0.68,1.27,221,305THz四个频 处98%的吸收;在三波长的PMA中可以实现段处其吸收率分别达到了98%,97%,98% 超过925%的吸收。实验结果表明该PMA的峰97%。该PMA在太赫兹频率选择性检测、太赫 值吸收波长主要由正方形金属的尺寸大小决定。兹传感以及太赫兹热成像等方面具有一定的应用 该三波长PMA的结构及吸收光谱图如图4所价值,但是其制造加工有一定的难度。 Wavelength/um (a)结构示意图 光谙 图4 Zhang等提出的多频PMA Fig.4 The multi-frequency pMa proposed by Zhang et al

6.03 μm 处的吸收率可以达到 98.34%，在 7.59 μm 处的吸收率可以达到 98.9%，该 PMA 显示出良 好的偏振不敏感性能。该团队利用电子束光刻技 术 (ELB) 和金属剥离的方法制备了该 PMA。 (a) 结构示意图 (b) 吸收光谱图 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.8 0.6 0.4 0.2 0 Absorptivity Absorptivity 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 Frequency/THz| S1 S1 2 S2 S2 D2 D2 D1 D1 h k g 1 1.0 0 h1 h2 b a w g1 g2 图 3   Tao 等 [13] 提出的 PMA Fig. 3    The PMA proposed by Tao et al[13] 1.3    多频 PMA 2013 年 Zhang 等 [15] 通过使用多重正方形金 属等离激元结构，实验证明可以实现多波段处近 乎完美的红外光吸收。在两个独立波长的双波 长PMA 中可以实现在3.49 μm 处99.4% 和4.87 μm 处 98.8% 的吸收；在三波长的 PMA 中可以实现 超过 92.5% 的吸收。实验结果表明该 PMA 的峰 值吸收波长主要由正方形金属的尺寸大小决定。 该三波长 PMA 的结构及吸收光谱图如图 4 所 示。2013 年，Hu 等 [16] 设计出一种极化不敏感、 高吸收的四频段的太赫兹波 PMA。该吸波器的 结构由金属薄膜层、第一介质层、金属十字架、 第二介质层和金属谐振器共五层结构组成。仿真 结果显示在 0.68，1.27，2.21，3.05 THz 四个频 段处其吸收率分别达到了 98%，97%，98%， 97%。该 PMA 在太赫兹频率选择性检测、太赫 兹传感以及太赫兹热成像等方面具有一定的应用 价值，但是其制造加工有一定的难度。 (a) 结构示意图 (b) 吸收光谱图 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 Absorptivity 3 4 5 6 Wavelength/μm 图 4   Zhang 等 [15] 提出的多频 PMA Fig. 4    The multi-frequency PMA proposed by Zhang et al[15] 第 2 期 杜永好，等：超材料完美吸波器研究进展 • 83 •

光学仪器 第41卷 2016年,江西师范大学Lu等提出基于7=1000m,W=150nm,W1=600nm,l=35m, 与金属基板耦合的三层电介质超材料结构的PMA,ln=15mm;通过叠加20层的金属一电介质单元 在可见光波段范围内可以实现四个吸收带,其最层得到了红外波段较宽的吸收谱,吸收率大于 大的吸收率可以达到989%,窄带宽为2nm。95%的谱线覆盖了3~35m的波长范围,其半 该PMA实现了近乎完美的偏振无关以及入射角峰全宽(FWHM)约为吸收谱线的86%,如图 不敏感多频带吸收,这些发现为多波段光吸收体5(b)所示,而且该吸波器还具有宽入射角的特 和高集成度光电子器件的应用铺平了道路。 点。但是缺点也很明显,在加工上存在很大的难 度,在实验室不容易实现,同时该结构对偏振角 14宽频带PMA 敏感。在此基础上 Liang等改进了该吸波器,采 相对于窄带宽PMA的应用,宽频带PMA用二维锥形结构实现在02~26μm波段的宽频 的应用范围更加广泛。利用有效的方法实现宽频吸收。该器件具有宽频带、宽角度、偏振不敏感 吸收是当前PMA发展亟需解决的问题之 等特点,可以应用于太阳能光伏领域。 2010年,北京工业大学赵晓鹏课题组设计 2017年上海交通大学wang等提出了 出一种基于树枝型结构的宽频带PMA,该结种基于双曲超材料Bi2Ie3的金字塔形纳米结构 构由双层六边形密排的树枝型结构、两块介质基阵列的PMA,如图6(a)所示,其中1=4mm,w2= 板和金属底板组成。通过改变树枝结构的排布方200m,A=200mm,H=3000mm,h=100nm 式并调节几何参数可以在工作波段内实现三个吸该结构是浸入水中的。通过理论分析可知该吸收 收峰,实验测得在9.79~11.72GHz频率范围内体可以对300~2400nm宽波长范围内的太阳光 的吸收率大于90% 达到接近100%的吸收。吸收谱如图6(b)所示。 2012年,Cui等提出了一种锯齿状的非该种结构的PMA可以应用于水或者水溶液的光 均质宽频带PMA,如图5a)所示,其中P=800nm,热转化中太阳能的有效利用。 0.8 Metal absorber (a)结构示意图 (b)吸收光谱图 图5cu等提出的 PMA Fig. 5 The PMA proposed by Cui et al 1.5光调控PMA LC谐振和三阶偶极共振。当泵浦光照射到器件 201年, howdy等P在开环谐振器表面并且能量逐渐增加时,狭缝内的硅片由于导 SR)的狭缝中嵌入硅片,基底材料为蓝宝石,电损耗的增加导致LC谐振和三阶偶极共振强度 如图7所示。入射的太赫兹波偏振方向与开口狭逐渐减弱,而且谐振频率发生红移。当泵浦光的 缝平行,当没有泵浦光照射器件表面时,太赫兹能量增加至1200mW时,原始的两处谐振消 透射谱在0.6THz和1.76THz处分别出现基模失,在128THz处出现一个新的谐振

2016 年，江西师范大学 Liu 等 [17] 提出基于 与金属基板耦合的三层电介质超材料结构的 PMA， 在可见光波段范围内可以实现四个吸收带，其最 大的吸收率可以达到 98.9%，窄带宽为 2 nm。 该 PMA 实现了近乎完美的偏振无关以及入射角 不敏感多频带吸收，这些发现为多波段光吸收体 和高集成度光电子器件的应用铺平了道路。 1.4    宽频带 PMA 相对于窄带宽 PMA 的应用，宽频带 PMA 的应用范围更加广泛。利用有效的方法实现宽频 吸收是当前 PMA 发展亟需解决的问题之一。 2010 年，北京工业大学赵晓鹏课题组设计 出一种基于树枝型结构的宽频带 PMA[18]，该结 构由双层六边形密排的树枝型结构、两块介质基 板和金属底板组成。通过改变树枝结构的排布方 式并调节几何参数可以在工作波段内实现三个吸 收峰，实验测得在 9.79～11.72 GHz 频率范围内 的吸收率大于 90%。 2012 年，Cui 等 [19] 提出了一种锯齿状的非 均质宽频带PMA，如图5(a) 所示，其中P=800 nm， T=1000 nm，Ws=150 nm，W1=600 nm，td=35 nm， tm=15 nm；通过叠加 20 层的金属—电介质单元 层得到了红外波段较宽的吸收谱，吸收率大于 95% 的谱线覆盖了 3～3.5 μm 的波长范围，其半 峰全宽 (FWHM) 约为吸收谱线的 86%，如图 5(b) 所示，而且该吸波器还具有宽入射角的特 点。但是缺点也很明显，在加工上存在很大的难 度，在实验室不容易实现，同时该结构对偏振角 敏感。在此基础上 Liang 等改进了该吸波器，采 用二维锥形结构实现在 0.2～2.6 μm 波段的宽频 吸收。该器件具有宽频带、宽角度、偏振不敏感 等特点，可以应用于太阳能光伏领域。 2017 年上海交通大学 Wang 等 [20] 提出了一 种基于双曲超材料 Bi2Te3 的金字塔形纳米结构 阵列的 PMA，如图 6(a) 所示，其中 w1=4 nm，w2= 200 nm， Λ=200 nm， H=3000 nm， h=100 nm； 该结构是浸入水中的。通过理论分析可知该吸收 体可以对 300～2400 nm 宽波长范围内的太阳光 达到接近 100% 的吸收。吸收谱如图 6(b) 所示。 该种结构的 PMA 可以应用于水或者水溶液的光 热转化中太阳能的有效利用。 (a) 结构示意图 (b) 吸收光谱图 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 A N=20 Effective medium absorber 3 4 5 6 7 λ/μm ε||, ε⊥ V X Z Metal Dielectric tm td W1 P Ws τ 图 5   Cui 等 [19] 提出的 PMA Fig. 5    The PMA proposed by Cui et al[19] 1.5    光调控 PMA 2011 年 ， Chowdhury 等 [21] 在 开 环 谐 振 器 (SRR) 的狭缝中嵌入硅片，基底材料为蓝宝石， 如图 7 所示。入射的太赫兹波偏振方向与开口狭 缝平行，当没有泵浦光照射器件表面时，太赫兹 透射谱在 0.6 THz 和 1.76 THz 处分别出现基模 LC 谐振和三阶偶极共振。当泵浦光照射到器件 表面并且能量逐渐增加时，狭缝内的硅片由于导 电损耗的增加导致 LC 谐振和三阶偶极共振强度 逐渐减弱，而且谐振频率发生红移。当泵浦光的 能量增加至 1200 mW 时，原始的两处谐振消 失，在 1.28 THz 处出现一个新的谐振。 • 84 • 光 学 仪 器 第 41 卷