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 •