基于金属开口环阵列的太赫兹各向异性超材料

各向异性材料是制作特殊电磁器件的基本材料之一，广泛应用于光偏振转换和隔离传输等[1-4]．传统的各向异性材料主要基于晶体材料在不同方向的原子排布不同，因而对应不同的光学折射率[5-6]．光学各向异性材料的一个重要指标是其不同方向的折射率差，折射率差越大，越容易获得轻薄的器件[7-11]．然而，对于波长较长的太赫兹波段，在天然材料中，依靠其原子排布的各向异性难以获得较明显的折射率差，因此其各向异性特征不明显．

为获得各向异性特征明显的太赫兹材料，人们采用了各种办法，包括通过控制纤维编织方向和用同一方向堆叠的纸片等[12]，利用人工方法增大所获得材料在不同方向的差异性，以获得较强的双折射率差．然而，这些方式虽然在宏观上获得了远大于天然材料的太赫兹各向异性特征，但仍具有较大的厚度，不利于制备轻薄的太赫兹器件．金属超材料由亚波长尺度的金属微纳结构构成，不仅厚度小，而且由于微观结构的灵活性和金属亚波长结构强烈的色散特性[13-20]，有利于形成各向异性特征明显的轻薄太赫兹器件．

本研究制作了由圆环型金属开口环阵列构成的太赫兹各向异性材料，实验测试了其不同方向的透过谱差异，并与理论仿真进行对比，获得良好的一致性．通过结构共振特性分析讨论了其产生各向异性的内部机理．最后通过实验测试了该各向异性材料对太赫兹波偏振态的转换特性．

1 各向异性超材料结构

所研究的金属开口环阵列结构及其组成的太赫兹各向异性超材料如图1．整个结构由一层薄的低损太赫兹聚合物衬底支撑，衬底表面为一层纳米级厚度的金属结构．金属结构的内部形貌如图1右侧，其由周期排布的金属环组合，金属环在水平和垂直方向的周期均为p， 在每个金属环的水平方向均有1个开口．由于该开口只存在于x方向，因此构成了x轴和y轴方向的结构差异，该结构差异将对穿透该结构的太赫兹波产生不同的调制作用，最后形成太赫兹透射的各向异性．

图1 基于金属环形开口环结构的太赫兹超材料示意图
Fig.1 The schematic diagram of the THz metamaterial with metallic slit ring array

对于这一各向异性超材料，其实验制备方法主要为光刻，制作步骤如下：① 选择在太赫兹波段吸收损耗和反射损耗均较小的聚合物薄膜作为支撑衬底，并在其表面采用磁控溅射沉积一层铝膜；② 采用硬质基底支撑法[21]，将镀好铝膜的聚合物薄膜固定在光滑的硬质衬底上，在铝膜表面旋涂光刻胶；③ 通过接触式光刻对光刻胶进行图形化，然后采用湿法腐蚀工艺将光刻胶图形转移到铝膜上，最后洗掉残余的光刻胶；④ 结构制备完成后，将聚合物薄膜从硬质衬底上取下，即获得所需的结构．

2 结 果

根据上述工艺步骤制作的金属开口环阵列结构的显微镜图片如图2(a)．在该结构中，铝膜的厚度为100 nm，金属开口环周期p=250 μm，金属环外半径R=100 μm，金属环宽度g=10 μm，开口大小w=10 μm．由图2(a)可见，所制备的金属开口环阵列结构完整，均匀性好，满足后续各向异性性能测试要求．

图2 结构制备结果及仿真、测试结果
Fig.2 The fabrication structure and simulation and measurement results

在对所制备的金属开口环阵列结构进行测试前，首先研究该结构在太赫兹波段的电磁特性．理论仿真采用有限元数值计算方法，设置与实验相同的结构参数．在仿真过程中，聚合物衬底的厚度设置为35 μm，相对介电常数为ε=3， 金属的电导率设为3.5×107 S/m, 仿真单元的边界条件为周期边界．通过改变入射太赫兹波的极化方向，获得该结构在水平(H)极化和垂直(V)极化下的太赫兹透射谱，分别如图2(b)中黑色实线和红色实线所示．仿真结果显示，两种极化在不同频率上产生了透射极低的波谷．对于H极化，该结构在0.415 THz处的透射率接近0，表明在这一频率下，结构激发了太赫兹波共振；对于V极化，其在0.703 THz处的透过率接近0，表明对于这一极化方向，在该频点激发了太赫兹波共振．这两个方向所激发的共振频率存在显著差异，表明这一结构在水平和垂直方向上存在强烈的太赫兹各向异性．

在实验测试中，采用飞秒激光泵浦的太赫兹时域光谱系统，对所制备超材料的透射率进行测试．测试结果如图2(b)中黑色点和红色点所示，分别对应H极化和V极化入射两种情况．这一结果表明，实验测试的光谱波形、透射率波谷位置等特征与理论仿真结果吻合度较好，表明所制备的金属开口环阵列太赫兹超材料在两个不同偏振方向上确有强烈的太赫兹各向异性特征．

3 分 析

为明晰所制备金属开口环阵列产生太赫兹各向异性特征的内部作用机制，进一步对两种不同极化下共振频率处的场分布情况进行仿真分析．

图3(a)为获得的H极化下的电场强度分布情况，所对应的共振频率为f=0.415 THz，这一分布结果表明，共振主要产生于金属环的左右两侧耦合和两水平相邻的金属环之间的耦合，并在金属环的左右两部分周围形成强烈的局域场．金属开口对其影响不大，并在金属环的上下两部分形成很弱的电场分布，表明该部分金属环的导电性好，未形成电势差．而对于图3(b)所示V极化下的电场分布，对应共振频率为f=0.703 THz，其在上下两部分的电场强度分布与H极化的水平分布基本一致，主要为上下两部分的耦合共振和相邻金属环之间的耦合共振．与H极化明显不同的是在开口处，由于开口切断了金属环，因此在开口位置产生强烈的电荷集聚，并在开口附近形成强烈的局域电场．正是由于这一共振模式的区别，使得该结构在H方向和V方向产生强烈的太赫兹各向异性．

图3 不同极化方向下共振频率处的电场分布
Fig.3 The electric field distribution at the resonant frequency in different polarization directions

为进一步讨论所制备太赫兹各向异性超材料的性质，对其偏振转换特性进行测试．测试方法如图4．在太赫兹时域光谱测试系统中，入射端的太赫兹波为H极化，探测端为V极化．若中间没有任何器件，其测试结果如图5(a)中黑色曲线所示，探测端接收到的能量基本为0．太赫兹超材料器件从水平位置开始旋转，每旋转一定角度测量一次接收端的能量大小．在不同的旋转角度下，所获得的光谱测试结果如图5(a)，其给出5°、25°、45°、65°和85°的探测结果．结果显示，当超材料器件旋转45°时，其因各向异性而获得的偏振转换能力在H极化的共振频率位置附近达到最大，并随角度远离45°而衰减．提取共振频率下不同角度探测器接收到的能量大小，获得了如图5(b)中黑色点所示的测试结果．该结果的红色拟合曲线表明，随着超材料旋转角度的变化，探测端接收到的V方向极化能量满足正弦分布，其正弦曲线的顶点对应旋转角度为45°，表明此时该各向异性超材料对太赫兹波的偏振转换能力达到最大，当旋转角度为0°和90°时，该超材料不具备偏振转换能力，这一特性与常规的光学双折射材料一致．

图4 偏振转换测试方法
Fig.4 The measurement method of polarization conversion

图5 不同角度下偏振转换的实验测试结果
Fig.5 The measured results of the polarization conversion at different angles

结 语

本研究对一种基于金属开口环阵列结构的太赫兹各向异性超材料进行探讨，通过理论仿真和实验测试对其双折射性能进行验证，同时分析其不同极化方向的结构内部共振模式．通过实验对该各向异性超材料在太赫兹波段的偏振转换特性进行测试．结果表明，其偏振转换规律与常规的光学双折射材料一致．该各向异性材料可用于制作轻薄的太赫兹玻片及太赫兹隔离器等．