基于FDTD的THz热变结构温度谱

焚天神剑

关键词： 太赫兹技术； Lumerical FDTD；热变单元结构；温度；透射谱线

在太赫兹（ Thz ）技术蓬勃发展并在多个领域展现出巨大应用潜力的背景下，对材料和结构在太赫兹波段光学特性的深入研究至关重要。本文借助 Lumerical FDTD 软件开展模拟研究，采用太赫兹（ Thz ）光源照射 热变 单元结构，剖析不同温度条件下该结构的透射谱线特征。模拟结果清晰显示，随着温度改变，透射谱线呈现出显著且规律的差异。

材料设置与仿真

导入不同温度情况下的材料参数，分别将其命名为 TSS-250K 、 TSS- 30 0K 、 TSS- 3 50K 、 TSS- 40 0K ，查看 TSS- 40 0K 材料在材料模拟器里的曲线图，将仿真带宽设置为“ frequency ”，“ V iew setting ”设置为“ frequency ”、“ index ”，得到的曲线图去下图所示。可以看到拟合曲线和真实材料测量参数的拟合效果，贴合效果较好。

图 3 热变材料在 4 00 K 下的材料系数

结构设计

本次 所设计的超材料吸收器 设计图 如图 1 所示 ， 结构 图如图 2 所示 。其中，结构自下而上依次为 介质 层、钛酸锶（ STO ）材料层与 金内嵌 层；图 1 右 则为单元 结构 的俯视图，矩形的长度（ py ）和宽度（ px ） 均 别为 1 μm ， 镶嵌于 STO 的 Au 内嵌层的宽度为 0 .5 μ m ；太赫兹波沿 z 轴方向 垂直 入射。对于 Au 和 STO 材料，已通过计算参数进行深入研究与精确建模。

图 2 单元结构效果图

图 3 仿真结构设置情况

提取温度谱

使用脚本“结构设置”（图 4 ），以将初始结构的材料进行自动化选取并保存、运行，模拟在不同温度下的透射曲线。

图 4 结构设置脚本

仿真完成后，使用“温度谱” 脚本提取每个温变材料单元的透射谱曲线， 并将其绘制在同一个图像框中，得到的结果如下图所示。可以发现不同温度情况下的材料温度谱曲线呈规律变化，符合温变材料的特性。

图 5 温度谱脚本

图 6 温度谱线，对应温度为 2 50 K 、 3 00 K 、 3 50 K 、 4 00 K

总结

本文基于 Lumerical FDTD 软件，研究太赫兹光源照射热变单元结构在不同温度下的透射谱线。通过设置材料参数、设计超材料吸收器结构，利用脚本自动化模拟与提取数据，发现不同温度下材料透射谱线呈规律变化，验证温变材料特性，为太赫兹技术温度相关研究提供参考。

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