一种基于复合结构的双频高折射率超材料

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超材料的设计和制备方法及其应用

超材料的设计和制备方法及其应用超材料是一种新型的复合材料，它具有非常特殊的物理和化学性质，包括反向折射、负折射率、超支持力、超捕获效应等。

因此，它在未来的科学、技术、能源和环境保护等领域中具有非常广泛的应用前景。

本文将会详细阐述超材料的设计和制备方法，并介绍其在不同领域中的应用。

一、超材料的设计方法超材料的设计方法分为三类：基于各向同性质材料的超结构、基于各向异性材料的超结构和基于衍射限制的超结构。

基于各向同性质材料的超结构，是利用量子力学和经典电动力学的方法，通过设计精细的微结构，使得所设计的假定材料具有各种非自然的物性，如负折射、正向折射等。

该方法最早由英国物理学家维克托·维斯恩先生开发，并已在无限大范围内取得成功。

基于各向异性材料的超结构，是通过多孔材料、介质和导体的自然性质来设计材料。

在此情况下，需要考虑多个物理特性，包括金属或介质的自然频率、耦合常数、介质常数等。

其中最具有代表性的是超材料的电磁特性，这种特性被用来研究超材料及其性质与设计。

基于衍射限制的超结构，是利用超材料中的障碍物和人造结构，在电场和磁场中所产生的束缚能和相互作用力中提供微結构效应。

例如，超材料可以用如折射、透射和反射等宏观物理现象处理电磁波，从而实现信号的方向或波长的选择。

二、超材料的制备方法超材料的制备方法有很多，根据不同的应用范围和研究对象，采用的方法也不相同。

本文将介绍几种常见的方法。

1. 电化学沉积法：该方法是利用电化学沉积的原理，把金属离子沉积到悬浮液中的制成规定的杆、球、圆形等不同尺寸和形状的超材料。

该方法具有制备速度快、成本低、尺寸精度高等特点。

2. 溶胶凝胶法：该方法是将金属醇盐溶液灌入玻璃纤维等多孔介质材料中的制成超材料。

该方法具有制备晶体质量高、抗多一质量高等特点。

3. 热爆炸法：该方法是利用高能量的热冲击波来实现超材料制备的，其特点是速度快、高精度、好控制等。

4. 聚簇反应法：该方法是利用纳米材料反应的过程来制备超材料的一种方法。

一种基于共臂结构的双频印刷偶极子天线

一种基于共臂结构的双频印刷偶极子天线作者：刘鑫张帅来源：《现代信息科技》2022年第07期摘要：文章提出一种基于共臂结构的双频印刷偶极子天线，可同时工作在433 MHz和2 390 MHz，可广泛用于无线局域网、物联网通信领域。

该天线由一个工作在高频的二元双面印刷偶极子阵列和一个工作在低频的偶极子下臂组成。

一方面通过加载电容，将高频辐射体设计成为低频印刷偶极子的上臂，来构成低频对称阵子的完整结构。

另一方面通过加载电感，进一步缩短了低频阵子臂的长度。

关键词：共臂;双频;偶极子;天线中图分类号：TN92 文献标识码：A文章编号：2096-4706（2022）07-0039-04A Dual-Band Printed Dipole Antenna Based on the Shared ArmsLIU Xin1， ZHANG Shuai2（1.BeiDou Academy， Wuhan Qingchuan University， WuHan 430204， China; 2.Wuhan Second Ship Design and Research Institute， WuHan 430205， China）Abstract： This paper proposes a dual-band printed dipole antenna based on the shared arms structure， and it could work at 433 MHz and 2 390 MHz and it is widely used in fields of wireless local area networks， Internet of Things communication. The antenna is composed of a two-element double sided printed dipole array which works at high frequency and a dipole lower arm which works at low frequency. On the one hand， by loading capacitance， the high frequency radiation body is designed as the upper arm of the low frequency printed dipole to form the complete structure of thelow frequency symmetry array. On the other hand， by loading inductance， the length of the low frequency array arm is further shortened.Keywords： shared arm; dual-band; dipole; antenna0 引言全向天線作为一种基本的天线类型，有着广泛的应用，它被应用在形成无线扩频网络、点对点通信、数据传输等方面。

一种具有超高双折射率的向列相液晶材料[发明专利]

专利名称：一种具有超高双折射率的向列相液晶材料专利类型：发明专利
发明人：杨槐,邹呈,张兰英,高延子,李辰悦
申请号：CN201410350708.X
申请日：20140722
公开号：CN104140825A
公开日：
20141112
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明属于液晶材料技术领域。

本发明的超高双折射率的向列相液晶材料由具有较宽向列相范围、较低熔点的二苯乙炔类衍生物的混合物A组分，具有较高双折率的苯氰类化合物B组分，具有高双折率且极性较大的嘧啶类化合物C组分，清亮点较高侧基含氟的三联苯类化合物D组分，具有高双折射率且侧基含氟的乙炔基联苯类化合物E组分，粘度低的双环己烷类化合物F组分，具有超高双折射率的异硫氰基苯类化合物G组分以及二氟乙烯类化合物H组份组成，以上各个组分的质量百分比之和为100％。

本发明由多种具有不同分子结构的化合物混配得到，具有超高双折射率、相对较低的粘度、较大的介电各向异性以及较宽的使用温度范围。

申请人：北京大学
地址：100871 北京市海淀区颐和园路5号
国籍：CN
代理机构：北京方安思达知识产权代理有限公司
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不同结构柔性电磁超材料吸波体的最新研究进展

不同结构柔性电磁超材料吸波体的最新研究进展作者：焦馨宇张富勇刘元军赵晓明来源：《现代纺织技术》2024年第06期DOI： 10.19398/j.att.202310021摘要：传统的电磁超材料通常具有刚性结构，其应用受到一定限制，无法满足当前市场需求，因此质轻、吸收强、吸收频带宽的柔性电磁超材料吸波体的开发利用成为重要的发展方向。

文章从柔性电磁超材料吸波体结构出发，概括了基于3层结构的柔性电磁超材料吸波体的最新研究，讨论了基于3层以上结构的柔性电磁超材料吸波体的研究现状，介绍了三维立体结构的柔性电磁超材料吸波体的研究进展，并展望了柔性电磁超材料吸波体未来的发展方向。

柔性电磁超材料吸波体在电磁波防护方面具有巨大的潜力，未来将在各个领域得到广泛应用。

关键词：超材料；吸波材料；柔性材料；电磁防护中图分类号：TS102. 4文献标志码：A文章编号：1009-265X（2024）06-0116-13收稿日期：20231026网络出版日期：20240227基金項目：中国工程院咨询研究项目（2021DFZD1）；天津市科技计划项目创新平台专项（17PTSYJC00150）作者简介：焦馨宇（1999—），女，内蒙古乌兰察布市人，硕士研究生，主要从事防护纺织品方面的研究。

通信作者：刘元军，E-mail：********************随着科学技术的进步，电磁波的应用在各个领域为人类的繁荣进步作出了不可替代的巨大贡献［1］。

但大量电磁波所产生的强烈的电磁辐射，会对人体和环境造成一定的危害；另外，军事设备所发射的电磁波信号可能引发信息泄露的风险［2］。

因此，人们对设备或人员进行电磁防护的需求日益迫切，各种吸波材料的研发方法成为当前研究的热点。

传统吸波材料存在吸收频带窄、柔性差等问题，因而其应用受到一定限制［3］。

超材料具有超常物理性能和人工复合结构。

超材料重要的应用之一是超材料吸波体。

研究人员通过较强的人工干预对超材料吸波体的周期性结构进行设计，可使其能够应用于不同电磁波频段［4］。

超材料在光学应用领域中的研究与发展

超材料在光学应用领域中的研究与发展超材料作为一种具有特殊光学性质的材料，在光学应用领域中得到了广泛的研究和应用。

本文将从超材料的概念、制备方法、光学性质及其在光学应用领域中的研究和发展等方面进行系统性分析。

一、超材料的概念超材料是一种由多个微观结构构成的复合材料，这些微观结构的几何形状和排布方式均是精确设计和控制的，从而呈现出一些与单一材料不同的光学性质。

超材料可以通过改变其微观结构来调节光的传输、反射、折射等，从而实现一些传统材料所不具备的光学性能，如负折射、透镜效应、光子晶体等。

二、超材料的制备方法1、纳米加工法纳米加工法是制备超材料的一种常见方法，它主要是通过沉积金属或者介质纳米颗粒，然后将这些颗粒摆放成特定形状或者排列方式，从而构成超材料。

例如，常见的银纳米棒型超材料就是通过纳米粒子沉积并组合而成。

2、自组装法自组装法是另一种制备超材料的方法，它通过分子自组装形成复合材料的微观结构。

这种方法与自然界中的化学结构和有机化学类似，优点是可以制备出高性能、高稳定性的材料。

3、离子束雕刻法离子束雕刻法是最常用的制备超材料的方法之一，它是一种基于控制电子的位置和能量来加工样本的方法。

这种方法可以用于制备微米和纳米级别的物体，并且可以制备出高质量、具有高亮度、高纯度的微结构材料。

三、超材料的光学性质1、负折射负折射是超材料的核心功能，它是指当光线穿过某些材料时，光线的速度会减慢而非加快，从而形成一种具有负折射率的效应。

这种效应主要是依赖于超材料的微观结构和折射率环境来实现的。

2、透镜效应超材料的另一个重要光学性质是透镜效应。

透镜效应主要通过超材料的聚焦能力来实现，当光线通过超材料聚焦时，形成的焦点会比单一材料的透镜更小，因此可以实现更高的分辨率。

3、光子晶体光子晶体是另一种重要的超材料光学性质，它主要通过周期性微结构来控制光的传输。

光子晶体可以将光线分离为不同波长的成分，并且通过调节结构中的周期性改变或者改变空间分布方式，从而实现不同的光学功能。

一款双频双宽带双圆极化Fabry

现代电子技术Modern Electronics Technique2023年11月1日第46卷第21期Nov. 2023Vol. 46 No. 210 引言随着信息技术的迅猛发展，空天地海一体化通信系统已经成为未来通信网络的发展趋势，卫星通信具有覆盖范围广、不受地理条件限制等优点，其作为天基通信的重要组成部分和未来6G 网络技术发展的重要方向，已经成为学术界研究的热点[1]。

天线作为卫星通信系统的关键组成部件之一，要求具有宽带宽、高增益、圆极化和结构简单、易于集成等特性。

由于法布里⁃珀罗（Fabry Perot, FP ）谐振腔天线具有增益高、馈电简单的特性，自从其诞生以来便受到了学术界的广泛关注[2]。

FP 天线具有馈电结构简单、增益高的优点，近年来学术界对于FP 天线的双频段工作、宽带性能以及如何实现圆极化辐射做了大量研究工作，其在卫星通信系统中有良好的应用潜力。

对于FP 天线的双频工作特性[3⁃5]，可采用频率选择表面（Frequency Selective一款双频双宽带双圆极化Fabry⁃Perot 谐振腔天线吕军1，钟选明2（1.国能包神铁路有限责任公司，内蒙古鄂尔多斯 017000；2.成都交大运达电气有限公司，四川成都 610000）摘要：文中设计了一款双频双宽带双圆极化的法布里⁃珀罗（FP ）谐振腔天线。

传统的FP 天线具有高增益特性但是难以实现宽带及双频带工作，为了改善其性能，提出一种具有双频正相位梯度的部分反射表面，利用其正相位梯度特性弥补电磁波频率升高带来的空间相位变化，从而在较宽的带宽内满足FP 天线的谐振条件以实现宽带辐射。

通过加载寄生贴片以及缝隙耦合馈电的方式设计宽带圆极化馈源，并且采用人工磁导体结构替代传统的金属地板，在同一谐振腔高度下满足两个频段的谐振条件，简化了双频FP 天线的结构。

全波仿真结果表明，所提出的FP 天线3 dB 轴比带宽分别为10.1%和13.8%，峰值增益达到12.45 dBi 和11.9 dBi ，3 dB 增益带宽分别为11.5%和14.8%。

一种折射率近零超材料的设计、制作和表征

磁导率是用于描述物质电磁特性的基本物理参数，决定着电磁波在物质中的传播特性。早在１９６８年，
前苏联科学家Ｖｅｓｅｌａｇｏ就提出了介电常数８和磁导率可以同时为负的情况Ｉｌ１，即左手材料（ＬＨＭ）的概念，并从理论上虚构了这种负折射率材料，可惜因为自然界中不存在这种天然物质，所以该理论在很长一段时间内都没有得到人们的重视。直到２０００年，Ｐｅｎｄｒｖ［２ｌ从Ｍａｘｗｅｌｌ方程和物质本构方程中计算得出：微米粗细的金属线间距在毫米级间隔具有类似等离子体的物理行为，可实现等效介电常数为负的人工电磁材料；利用非磁性导电金属薄片构成ＳＲＲ环并组成方阵，能够实现可以调节的负的等效磁导率。这些人工材料具备自然界中天然物质无法达到的特性，从而打开了人工结构超材料的历史篇章。特别是在２００６年，Ｐｅｎｄｒｙ等人和Ｌｅｏｎｈａｒｄｔ分别提出利用变换光学的方法设计制作基于超材料的 “ 隐身斗篷 ” ，可以操纵电磁波传播并达到隐藏物体的效果［６－９１。除单负（ｅ＜０或＜０）和双负（ｅ＜Ｏ且ｌｘ＜Ｏ）材料之外，近零超材料同样是目前兴起的人工电磁材料的
第２７卷第１期

基于π型结构双折射超表面的设计与应用

ＨＡＮＸｉａｏｘｉａｏ，ＴＯＮＧＹｕａｎｗｅｉ
（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＳｃｉｅｎｃｅ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｈａｎｇｈａｉｆｏｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００９３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅａｌｉｚｅｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｔｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｗｉｔｈｓｉｍｐｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｈｉｇｈｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ，ｔｈｅｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄｔｈｉｎｐｌａｔｅｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｗａｓｕｓｅｄｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｉｎｃｉｄｅｎｔｆｉｅｌｄ，ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｆｉｅｌｄａｎｄｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｆｉｅｌｄａｒｏｕｎｄｉｔ．Ｓｕｒｆａｃｅｐｏｌａｒｉｚａｂｉｌｉｔｙａｎｄｍａｇｎｅｔｉｃｓｕｓｃｅｐｔｉｂｉｌｉｔｙｏｆｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｓｐａｃｅｄｏｍａｉｎｗｅｒｅｕｔｉｌｉｚｅｄｔｏｄｅｓｃｒｉｂｅｔｈｅｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｓ．Ａｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｔｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｂａｓｅｄｏｎπｓｈａｐｅｄｍｅｔａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｕｎｉｔｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｂｙａｒｒａｎｇｉｎｇ７ｅｌｅｍｅｎｔｓｗｉｔｈｇｒａｄｉｅｎｔｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｐｈａｓｅｉｎｓｅｑｕｅｎｃｅ，ａｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｗｉｔｈｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅｏｆｘｐｏｌａｒｉｚｅｄ，ｙｐｏｌａｒｉｚｅｄｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｗａｖｅｓｗａｓｆｏｒｍｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔ，ｉｎｂｅａｍｒｅｆｒａｃｔｉｏｎａｎｄｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｓｐｌｉｔｔｉｎｇｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｓ，ｔｈｅｌｏｓｓｉｓｌｅｓｓｔｈａｎ－８ｄＢ．Ｆｕｌｌｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｉｓａｃｈｉｅｖｅｄｉｎλ／４ｗａｖｅｐｌａｔｅ．Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｅｄｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｔｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｈａｓｈｉｇｈｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｐｒｏｐｅｒｔｙｔｏｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｗａｖｅｉｎｃｉｄｅｎｔｖｅｒｔｉｃａｌｌｙ．Ｂｅａｍｓｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆｘｐｏｌａｒｉｚｅｄｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｗａｖｅａｎｄｙｐｏｌａｒｉｚｅｄｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｗａｖｅｃａｎｂｅｒｅａｌｉｚｅｄ．Ｔｈｅｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅｉｓｒｅａｌｉｚｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓｈａｖｅｃｅｒｔａｉｎｇｕｉｄｉｎｇｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｆｏｒｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｓ．

一种具有折射率可调的复合增透膜的可见光LED芯片[发明专利]

专利名称：一种具有折射率可调的复合增透膜的可见光LED芯片
专利类型：发明专利
发明人：王文杰,谢武泽,徐哲,周阳
申请号：CN202010563033.2
申请日：20200619
公开号：CN111710766A
公开日：
20200925
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及光电子技术，特别公开了一种具有折射率可调的复合增透膜的可见光LED芯片，其结构包括衬底、缓冲层、N型层、量子阱层、P型层、ITO层以及覆盖在ITO层上的带有多孔微结构的复合增透膜层，所述复合增透膜层包括多孔AlO层和增透层。

本发明能够通过调节ITO层厚度、多孔AlO层的孔径和厚度、增透层的材料和厚度，则可以将界面反射率降到最低来实现最佳增透作用，有效减少LED出光时的反射损耗，同时通过微结构复合增透膜减少由芯片到空气中的光线全反射，极大的提高LED芯片光强。

申请人：中国工程物理研究院电子工程研究所
地址：621999 四川省绵阳市游仙区绵山路64号
国籍：CN
代理机构：成都天嘉专利事务所(普通合伙)
代理人：蒋斯琪
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一种高性能双频能量选择表面

一种高性能双频能量选择表面
陈名刻;冯佳祺
【期刊名称】《无线通信技术》
【年(卷),期】2024(33)1
【摘要】提出一种高性能双频带能量选择表面(ESS),该表面可以保护电子设备免受高功率微波(HPM)的影响。

所提出的结构由负载有二极管的金属周期性结构组成。

推导了所设计的ESS的等效电路,并解释了其工作原理。

通过仿真说明了两个频带
在不同入射条件下的电磁响应,使用场路联合仿真来获得其非线性性能。

CST仿真
结果表明,该结构在工作频带(0.93 GHz-1.52 GHz,2.8 GHz-3.2 GHz)的低功率信
号的插入损耗小于1 dB,而对高功率信号的屏蔽大于38 dB。

【总页数】4页(P59-62)
【作者】陈名刻;冯佳祺
【作者单位】宁波大学信息科学与工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TN713
【相关文献】
1.一种双频段有源频率选择表面的设计
2.一种新型二阶双频带通频率选择表面的设计
3.一种基于2.5D频率选择表面和磁材料的宽间隔双频带超材料吸波器
4.一种四边形环状双频频率选择表面设计
5.一种双频带频率选择表面的设计
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• 78•提出了一种双频高折射率超材料，该单元结构由“方环型”和“方型”的复合金属结构和介质基底组成，且复合金属结构嵌入在介质基底中。

其高折射率特性通过增强单元间的电耦合来增大有效电常数，同时减少金属结构的抗磁效应来提高有效折射率，最终实现了超材料的高折射率特性。

提出的超材料结构在0.1-1THZ频段内实现了双频高折射率特性，分别在0.51THz和0.69THz取得了折射率峰值，其值分别为8和7，且可以通过控制结构的几何参数来调整两个频段的折射率。

引言:超材料是一种具有人工设计结构并呈现出天然材料所不具备的超常物理性质的人造材料。

超材料的性质不是由组成材料的固有性质决定的，而是由人工设计的“超原子”决定的。

通过合理的设计“超原子”的尺寸和形状，以及不同的排列方式，能够实现各种奇特的电磁特性。

通过调整超材料的电响应和磁响应，其有效折射率值可以实现从负折射率（Smith D R,Pendry J B,Wiltshire M C K.Metamaterials and Negative Refractive Index:Science,2004）、零折射率（Ziolkowski R W.Propagation in and scattering from a matched metamaterial having a zero index of refraction:Physical Review E Statistical Nonlinear & Soft Matter Physics,2004）到超高折射率的变化。

近年来，人们主要关注负折射率和零折射率超材料，而很少关注高折射率超材料。

然而，由于光学图像的分辨率与系统中透镜材料的折射率成正比，因此在成像和光刻领域需要高的正折射率材料（Xiao S,Drachev V P,Kildishev A V ,et al.Loss-free and Active Optical Negative-index Metamaterials:Nature,2010）。

在太赫兹波段，高折射率超材料也可以为发展太赫兹光学器件开辟新道路，促进如太赫兹隐身（Zhou F,Bao Y ,Cao W,et al.Hiding a Realistic Object Using a Broadband Terahertz Invisibility Cloak:Scientific Reports,2011）、光延迟线（Karalis A,Lidorikis E,Ibanescu M,et al.Surface-plasmon-assisted guiding of broadband slow and subwavelength light in air:Physical Review Letters,2005）、光栅（Park S G,Lee K,Han D,et al.Subwavelength silicon through-hole arrays as an all-dielectric broadband terahertz gradient index metamaterial:Applied Physics Letters,2014）、高折射率透镜（Tsai Y J,Larouche S,Tyler T,et al.Design and fabrication of a metamaterial gradient index diffraction grating at infrared wavelengths:Optics Express,2011）等太赫兹功能器件的发展。

Sivenpiper 等人早前提出了一种非谐振亚波长的平行金属板阵列，通过平行板之间的电耦合来提高有效介电常数，从而获得高折射率特性（Sievenpiper D F,Yablonovitch E,Winn J N,et al.3D Metallo-Dielectric Photonic Crystals with Strong Capacitive Coupling between Metallic Islands:Physical Review Letters,1998）。

然而，所提出的结构具有很大的抗磁效应（0< μ«1），因此，该结构的折射率没有显著的提高。

随后，Wood 和Pendry 证明了一种金属立方体结构的抗磁效应是由于金属上的感应电流环产生的磁矩与外加磁场方向相反造成的（Wood B,Pendry J B.Metamaterials at zero frequency:J Phys Condens Matter,2007）。

后来Shin 等人用数值方法证明了通过适当的对立方体结构进行改造，可以减小感应电流包围的区域，来减小抗磁效应（Shin J,Shen J T,Fan S.Three-dimensional metamaterials with an ultrahigh effective refractive index over a broad bandwidth:Physical Review Letters,2009）。

基于这些理论，Choi 等人设计出了一种太赫兹波段的“工”型高折射率超材料（Choi M,Lee S H,Kim Y ,et al.A terahertz metamaterial with unnaturally high refractive index:Nature,2011），该结构在增大电耦合的同时减小了抗磁效应，实现了超高折射率特性。

近年来，在高折射率超材料的发展中，虽然已经取得了一些成果（Singh R,Yan F,Zhang W,et al.Terahertz metasurfaces with a high refractive index enhanced by the strong nearest neighbor coupling:Optics Express,2015；Shi H,Lu Y ,Wei X,et al.Characterization for metamaterials with a high refractive index formed by periodic stratified metallic wires array:Applied Physics A,2009），但很少有人提出双频段的高折射率超材料。

1 单元结构设计我们提出的结构单元如图1所示，方环金属贴片和方形金属贴片嵌入到介质基底中。

其中，金属由电导率为5.8×107s/m ，厚度为0.2um 的铝组成；介电基底的材料为聚酰亚胺，其介电常数为3.4，损耗正切角为0.0027，且介质基底的厚度为30um 。

结构的其它参数如下：p=200um ，L 1=L 2=88um ，w=8um 。

此外，y 方向上相邻方环金属结构之间的缝隙g 1=p/2-L 1，相邻方形金属结构之间的缝隙g 2=p/2-l 2。

图1 单元结构示意图• 79•2 仿真结果及性能分析利用商业软件CST Microwave Studio对超材料结构进行了数值仿真，当入射太赫兹波沿z轴入射且电场和磁场分别沿y轴和x轴时，计算了其散射参数，如图2(a)所示。

我们利用S参数反演算法（Szabo Z,Park G H,Hedge R,et al.A Unique Extraction of Metamaterial Parameters Based on Kramers-Kronig Relationship:IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2010）提取出了其有效介电常数、有效磁导率以及有效折射率。

图2中给出了反演得到的有效介电常数、有效磁导率和有效折射率曲线。

由图2(b)有效介电常数曲线可以看出，在研究频段内分别在0.51THz和0.69THz取得谐振峰值，且值分别为80和160。

而图2(c)中所示的磁导率曲线存在反谐振行为，即有介电常数取最大值时，磁导率为最小值，且它们的虚部正负相反。

图2(d)中的有效折射率在0.1-1THz范围内有两个谐振峰，这是由两个有效介电常数峰引起的，相应的有效折射率在0.51THz为8，在0.69THz为7。

(a)S参数幅值 (b)有效介电常数 (c)有效磁导率 (d)有效折射率图2 S参数及有效电磁参数(a)0.51THz处的表面电流 (b)0.69THz处的表面电流 (c)0.51THz处的电场 (d)0.69THz处的电场图3 0.51THz和0.69THz处的表面电流和电场分布图为了阐述高折射率特性的物理机制，我们给出了0.51THz和0.69THz处的表面电流和电场分布，如图3所示。

从图3(a)和图3(b)可以看出，金属臂上积累了大量的表面电荷，当施加外加电场时，相邻金属臂的相反电荷相互作用，形成大量的电偶极矩，最终导致了大的有效介电常数。

同时，超薄的金属层意味着该超材料结构具有弱的抗磁效应，从而导致了高磁导率。

根据公式，折射率可以通过增大介电常数和磁导率而显著的提高。

此外，从图3(c)和图3(d)所示的电场分布来看，在0.51THz时，电场主要集中在金属方环之间的间隙g1中，而在0.69THz时，电场主要集中在金属贴片之间的间隙g2中。

因此，调节单元间的缝隙宽度对有效折射率的调控起着至关重要的作用。

(a)变化g1时的折射率实部 (b)变化g2时的折射率实部图4 改变g1和g2时对有效折射率实部的影响我们研究了缝隙宽度对折射率的影响，由于折射率虚部只表示损耗，所以我们只给出了折射率实部值。

图4(a)和4(b)显示的是改变g1和g2时，对有效折射率实部的影响。

可见，当变化g1时，第一个谐振峰值随着g1的减小而增大，且第二个谐振峰值基本不变。

而变化g2时，第二个谐振峰值随着g2的减小而增大，且第一个谐振峰值基本不变。

所以有效折射率的第一个谐振峰值和第二个谐振峰值分别受金属单元缝隙g1和g2的控制。

3 结论我们通过数值仿真论证了提高有效介电常数和磁导率的方法，从而获得高的有效高折射率。

结果表明，所提出的超材料结构具有两个高折射率频段。

同时，通过控制几何参数可以分别调控两个频段的折射率值。

这种双带高折射率超材料可以为设计太赫兹光学器件提供更高的灵活性。

作者简介：余发龙（1994—），湖南益阳人，硕士研究生，现就读于桂林电子科技大学。