《Materials Science and Engineering: B》：Liquid crystal-integrated jigsaw-like Tunable terahertz metamaterial absorber with dual critical coupling
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液态晶体整合的拼图状太赫兹 metamaterial 吸收器通过双共振模式临界耦合机制实现高吸收率（99%以上）和宽频调谐（6.22%/5.13%），突破传统结构性能局限。
钟顺聪|丁思敏|黄毅|钟玉洁|罗曼婷|袁荣坤|曾秋明|程世林|孙福伟|周子恒
中国福州大学机械工程与自动化学院太赫兹功能器件与智能传感福建省重点实验室，福州350108
摘要
可调谐吸收器在检测、通信和电磁污染抑制等领域具有显著的应用前景。然而，由于辐射泄漏与内在损耗之间的不匹配，传统设计在动态调谐过程中往往难以实现高效率的吸收。为了解决这个问题，本文提出了一种集成液晶的拼图状太赫兹超材料吸收器，并基于时域耦合模式理论揭示了其双共振模式的关键耦合机制。该结构由两个正交排列的共振单元组成，每个单元支持一种等离子体共振模式。对于这两种模式，通过共享的几何耦合参数同时重新配置辐射泄漏通道，从而能够精确控制它们的耦合状态。在特定的参数配置下，两种共振模式同时满足关键耦合条件——即辐射损耗等于内在吸收损耗——从而在两个频段实现近乎完美的吸收。此外，通过施加电压来调制液晶，可以使共振频率可调。实验结果表明，在调谐过程中，两个共振频率的吸收幅度均保持在99%以上，两个吸收峰的相对调谐范围分别为6.22%和5.13%。这项研究为开发高性能、可调谐的太赫兹功能器件提供了一种新颖且有效的设计策略。
引言
太赫兹频段通常指频率在0.1到10 THz之间的电磁波，位于微波和红外光之间。它在成像、生物传感、无损检测、安全筛查和高速通信等领域具有独特的优势[1]。然而，由于天然材料对太赫兹波的响应较弱，传统光学元件难以有效操控太赫兹辐射的传播和吸收，因此太赫兹功能器件的发展受到严重限制。超材料提供了一种新的解决方案。通过人工设计的亚波长周期性结构，超材料可以实现与太赫兹波的强耦合，展现出负折射、完美吸收和异常反射等独特电磁特性[[2], [3], [4]]。其中，太赫兹超材料吸收器（MA）由于其超薄厚度、轻质和高吸收率而成为研究热点，在探测器、热发射器、隐身涂层和片上传感系统中得到广泛应用。
自2008年Landy等人首次提出超材料吸收器以来[[5], [6], [7]]，其结构主要以金属-介质-金属“三明治”形式为主。然而，传统结构受到静态共振响应和显著反射或传输通道的限制，导致能量利用不充分，从而限制了吸收器的应用范围和吸收性能[8], [9], [10]。为了实现动态调谐，一种有效的策略是将活性材料（如石墨烯[11]、二氧化钒（VO?）[[12], [13], [14]]和液晶（LCs）[44], [45], [46], [47]）集成到超材料中。其中，液晶因其可在室温下工作、低电压驱动、成熟的制造工艺和相对较低的成本而受到广泛关注。许多先前的研究为此工作奠定了基础和参考。例如，Shrekenhamer等人首次设计了金属-LC-金属三层结构，通过电控实现了单个吸收峰的约4.6%的共振频率调谐[[15], [16], [17]]。Pandit等人进一步验证了液晶的动态调谐能力，证明其设备在137–147 GHz范围内可实现连续的频率移动[18]。在此基础上，Yin等人开发了一种可调谐双频吸收器，在269.8 GHz和301.4 GHz处分别实现了88.4%和80.1%的高吸收率，相应的频率调谐范围为2.45%和3.65%[19]。然而，这些研究往往难以在实现宽调谐范围的同时保持高吸收性能。因此，开发同时具备多频段响应、高吸收率和宽调谐范围的太赫兹超材料吸收器成为推动高性能太赫兹器件发展的关键。
在本文中，我们提出了一种基于液晶的拼图状双频可调谐太赫兹超材料吸收器，通过施加偏置电场来动态调节共振频率。为了实现接近100%的理想吸收，我们基于时域耦合模式理论（TCMT）构建了双关键耦合状态，平衡了辐射损耗和内在吸收损耗，从而实现了双频段的关键耦合，实现了近乎完美的吸收。结果表明，随着液晶折射率的变化，两个吸收峰同步移动，同时保持吸收幅度在99%以上。与其他现有超材料结构相比，本文提出的装置在调谐范围方面表现更好。其双频段调谐率（6.22%和5.13%）不仅高于[19]等双频段方案，而且接近[18]中的最佳单频段值（7.04%），显示出更强的频率可调性。在吸收效率方面，本文的双频段吸收率均超过99%，远高于其他研究（最高仅为90%以上），几乎实现了目标频段的完全吸收。从结构复杂性来看，尽管本文采用的“拼图状”结构比[17], [19]中的单环/分环结构稍复杂，但这种复杂性是为了满足双频段、高吸收和高可调性的性能要求。总体而言，本文在调谐范围和吸收效率方面优于现有方案，且结构复杂性不会影响其应用可行性。此外，电场分布的分析表明，不同结构共振模式的耦合是产生双频段吸收的物理机制。最后，讨论了偏振角和入射角的影响。这种将活性材料与双频段吸收共振结构结合的方法在太赫兹通信、传感和成像领域显示出广阔的应用前景。
结构和理论模型
图1(a)展示了所提出的可调谐太赫兹超材料吸收器（TTMA）的示意图。该结构由顶层周期性金膜共振阵列、中间液晶（LC）层、底层金反射层、聚酰亚胺（PI）膜以及上下两侧的石英基板组成。PI层作为对准层，在无偏置状态下控制LC分子的初始取向（平行于石英基板表面）。
结果与讨论
图2(a)至(f)展示了在没有施加偏置电压时的吸收光谱和相位光谱，其中尺寸b分别为70、60和50 μm。从吸收光谱可以看出，随着尺寸b的增加，两个吸收峰先增加后减少，在b=60 μm时达到最大吸收。此外，相位光谱显示随着尺寸的变化，线形发生跳跃。
结论
总之，本文提出了一种基于液晶的拼图状可调谐双频太赫兹超材料吸收器。该结构采用双共振设计激发两个共振模式，并利用共享的几何耦合参数建立双关键耦合状态，实现了辐射损耗和吸收损耗之间的完全匹配，从而实现了高效吸收并保持了动态频率可调性。结果表明，所提出的结构能够
作者贡献声明
钟顺聪：监督、资金获取、概念构思。丁思敏：撰写——原始草稿、数据整理。黄毅：方法论。钟玉洁：方法论。罗曼婷：方法论。袁荣坤：方法论。曾秋明：方法论。程世林：方法论。孙福伟：方法论。周子恒：方法论。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本项目得到了国家自然科学基金（52275096和52505093）、福建省重大研究项目（2022HZ024005）、福州市科技计划项目（2022-P-022）、福建省自然科学基金（2022J01071）以及福建省CAD/CAM大学工程研究中心开放基金项目（K202503）的支持。
