基于超材料的太赫兹波长可调窄带吸波体研究

Conventional thermally based terahertz (THz) detectors have the characteristic of broadband response and low sensitivity, and therefore, can not be used for high sensitivity and high spectroscopic resolution detection. Recently, a proposed method for this problem is to attach a metamaterial THz narrowband absorber on the absorbing surface of the detector to improve its sensitivity and spectroscopic resolution. However, current metamaterial THz narrowband absorbers can not be tuned, which greatly limits their operating frequency range and their abilities to dynamically select wavelength, and eventually decreases their detection efficiancy and signal-to-noise ratio..The innovation of this project is that it constructs a new type of metamaterial THz tunable narrowband absorber which mainly consists of a split ring resonator (SRR) and a micro-cantilever. The absorbing wavelength can be tuned continuously by micro-cantilever which is electrostatically actuated. Firstly, a finite-integral time-domain (FITD) method and the principle of impedance matching are introduced to study absorption mechanism. Secondly, an equivalent circuit model based on transmission line theory is created to investigate the parameters and means of wavelength modulation. Then, based on a surface micromachining process, the fabrication is studied and a key process of etching sacrifical layer is adopted to release micro-cantilever. Lastly, experiemental demonstration of wavelength modulated by voltage is performed. This study can not only reveal the mechanism of THz wave interacted with movable metamaterials, but also improve the ability of thermally based detector to dynamically select wavelength, and thus, promote their applications to these detection areas requiring high sensitivity and high spectroscopic resolution.

基于热效应的太赫兹探测器响应频带宽，灵敏度低，不利于进行高灵敏度和高光谱分辨率的探测。最近提出将超材料太赫兹窄带吸波体制作在热效应探测器的接收表面，可提高探测灵敏度和光谱分辨率，但现有超材料吸波体吸收波长不可调，这样会限制探测器工作波长范围和对波长的动态选择能力，最终降低探测效率和信噪比。.本项目主要创新是通过在开口环谐振器的开口中央引入微悬臂梁来构建太赫兹波长可调窄带吸波体，并用静电方式驱动悬臂梁运动来实现吸收波长连续可调。先用时域有限积分方法和阻抗匹配理论研究吸波机理；用传输线理论建立等效电路模型，研究吸收波长的调控参数和调控方法。然后，结合表面微加工工艺研究器件制作方法，其关键技术是采用牺牲层腐蚀技术释放悬臂梁。最后，验证电压对吸收波长的调控行为。本研究可揭示太赫兹波与可动超材料相互作用机理，有助于提高热效应探测器动态选择波长的能力，促进其在高灵敏度、高光谱分辨率探测领域的应用。

1. 研究背景：.吸收波长连续、动态可调的超材料太赫兹窄带吸波体是当前采用热效应探测器进行高灵敏度和高光谱分辨率太赫兹光谱探测急需要的一个关键功能器件。而现有超材料太赫兹窄带吸波体的吸收波长都是固定的，器件一旦制作成功，只能在特定波长实现超吸收，对吸收波长没有调节能力。..2．主要研究内容：.1）基于超材料的太赫兹波长可调窄带吸波体（以下简称“吸波体”）的吸波机理研究.具体包括吸波体对太赫兹波的电磁响应特性、几何结构对吸波体电磁响应的静态调制特性，以及悬臂梁运动对吸波体电磁响应的动态调制特性等。..2）吸收波长的调控机理与方法研究.用传输线理论建立吸波体等效电路模型，研究了影响谐振吸收波长的各种因素和对吸收波长进行调控的参数和方法。然后研究悬臂梁的机电特性和对驱动电压的静态、动态响应特性。.3）吸波体制作方法及其关键技术研究.包括吸波体制作工艺与关键工艺参数的确定方法、加工过程中的关键技术问题及其解决方法等。.4）电压调控吸收波长的实验验证.用太赫兹时域光谱系统，验证驱动电压对吸收波长的调控特性，并研究太赫兹波的角度和偏振方向对调制特性曲线的影响。..3．重要结果：.1）通过在常规超材料开口环谐振器（SRR）的开口中央引入可动微悬臂梁来构建新型的波长动态可调太赫兹窄带吸波体，在静电力的驱动下微悬臂梁将产生上下运动，从而动态调控SRR开口处的等效电容，最终实现对SRR谐振频率和谐振吸收波长的动态调控。.2）在20V的低电压下，可调吸波体中心频率及其幅值调制度分别为10%和20%。..4．关键数据：.1）设计了一种基于开口环谐振器的动态可调超材料太赫兹窄带吸波体，对TE模入射的太赫兹波，吸收中心频率从1.32 到 1.12 THz连续可调，最大可调频率为0.20 THz，频率调制度为15%。.2）采用微纳加工工艺设计了一种基于静电微机电执行器和电偶极子阵列的超材料太赫兹吸波体，实验结果表明，中心频率和幅度调制度分别为10% 和 20%。..5．科学意义：.1）揭示了太赫兹波与可动超材料的相互作用机理，为新型超材料太赫兹吸波材料及其功能器件的研制提供了理论依据。.2）将该可调吸波体制作在基于热效应的探测器表面，可大大提高探测器的灵敏度和动态选择波长的能力，实现波长可调探测；.3）有助于促进热效应探测器在高灵敏度和高光谱分辨率探测领域的应用。