基于FDTD的THz热变结构温度谱

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-300K、TSS-350K、TSS-400K，查看TSS-400K材料在材料模拟器里的曲线图，将仿真带宽设置为"frequency"，"View 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400K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1μm，镶嵌于STO的Au内嵌层的宽度为0.5μm；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250K、300K、350K、400K

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。