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电磁吸收在诸如太阳能电池、生物传感、电磁隐身和热发射等许多应用中扮演着重要角色。基于太赫兹波段的超材料,由于其在谐振频率处有很大的损耗能够实现对电磁波振幅、相位以及偏振态的调控,这使得它逐渐代替传统材料成为制作吸收器的必备品。然而,超材料吸收器的吸收效率及工作波长是由它们的结构所决定,难以主动控制,极大地妨碍了它们的进一步发展,例如调制和光开关领域。在这种局限下,研究人员发现石墨烯这种材料可以通过电掺杂等方式改变光学特性即可以通过改变石墨烯的费米能级而改变其等离子体频率,这一特性使得其在克服上述局限和动态吸收方面具有独特的优势。近年来,相干完美吸收技术的出现为实现光吸收的可调性提供了一种新思路,通常被解释为由于两束反向传播的相干波的干涉会在有损耗材料中的完全光吸收。迄今为止,大量结构实现了完美的相干吸收,主要包括金属-绝缘体-金属和全介电超表面。然而,许多相干完美吸收器只能在单一波段频率下工作,这在诸如太阳能电池这样的宽带应用中是有限的。因此,对于多波段的相干完美吸收的研究具有重要意义。本论文主要基于石墨烯这种超表面材料的费米能级的调控研究了单绝缘层、多绝缘层和不同尺寸下单绝缘层结构的相干吸收性能,具体研究工作包括:1.研究了石墨烯层/绝缘层/石墨烯层超表面结构中通过外加电场的方式调控石墨烯费米能级对相干吸收谐振频率的影响,采用数值模拟的方法讨论了该结构在不同外加电场下的吸收特性;展示了在这些情况下由对称相干光源入射到反对称相干光源入射间转变过程中的吸收光谱。石墨烯的费米能级减小时,对应吸收峰的共振频率将发生蓝移,反之出现红移。当一个元胞的两个石墨烯贴片用不同的外加电场控制时,为双频吸收,调控范围从7.6THz到12.5THz。此外,实现了在保证某一吸收峰的位置不变来改变另一吸收峰谐振频率的情况。之后调控两束入射光的相位差,则吸收率由0%至98%渐变,能够有效的应用到光调制领域。考虑结构的对称性,TM和TE偏振波入射时,吸收效果无明显改变。本阶段的研究数据对单频及双频相干吸收器的扩展提供了一定的参考。2.为了获得更好地吸波效果,通过介质层叠加的方式设计了一种多层多电压控制多组石墨烯贴片的超表面结构模型。首先分析了外加电压固定时所提出的吸收器的光谱图,四组石墨烯贴片费米能级的组合状态不同、超表面会出现双峰到四峰的情况,对探究这一类超表面的物理机理提供了实验基础。之后,以多波段吸收为例,实现了对共振频率位置的调控即保证某些吸收峰不变的情况下,灵活调整其余共振点的位置,调控范围从6.7THz-18.2THz,远大于前面提出的单层超表面。结合电磁理论及大量数值模拟结果,通过分析共振频率时的电磁场分布,我们认为除了石墨烯层间的介电层对光有部分束缚外,主要吸收机理是因为每组石墨烯导致的单独的吸收峰产生叠加作用并且共振且之间不会相互影响。通过两束入射光的相位调整,我们实现了该超表面多波段吸收下对于吸收率的调节,调制深度表明优于大多数相干吸收器。此外,将多波段共振的吸收峰通过调控外加电压的方式使它们逐渐靠近形成一个范围达7.2THz的宽带,并且在这种情况下,吸收器能够由ON(吸收率>0.9)到OFF(吸收率<0.2)两种状态灵活转换。研究结果表明在入射角达到60°之前,这一类结构均的吸收率不会低于90%。这种超表面的吸波特性可以通过增加石墨烯组的个数或者进一步增大费米能级的范围来取得更好的吸收效果,我们期待这些特性能够尽快应用于光学调制领域。3.设计了一种多层多尺寸超表面,研究了图案化石墨烯尺寸及绝缘层材料的介电常数及厚度对吸收峰值的影响,用数值模拟的方法计算了相干入射光源在同向模式下正入射时的不同吸收性能。首先对于双波段相干完美吸收,计算结果及电磁场分布表明方环形石墨烯图案的横轴与纵轴分别会激励一个特征频率,两处共振点线性叠加,最终实现完美吸收的效果。此外,分析了斜入射下的吸波性能,在入射角达到75°之前,两个共振点的吸收率不会低于99%。在多尺寸效应下,我们模拟了三种情况,分别是横轴宽度不变,调控纵轴;反之纵轴宽度不变,调控横轴;横轴与纵轴同时调控,表征结果的光谱图均符合我们的预想,实现了在某一吸收峰不变的情况下,调控其余吸收峰的特性。改进元胞结构后,通过将多波段共振的产生吸收峰通过调整尺寸的方式使它们逐渐靠近实现了宽带吸收。之后,我们进一步探究了绝缘层材料介电常数与厚度对吸波性能的影响,分析结果认为绝缘层材料决定着特征频率。两者之间的关系的确定不仅能很大程度上规避实际制备带来的误差影响,还能发挥频率可调性,通过控制这两个参数,使共振频率移动到我们希望的位置上。所提出的这一类吸收器不依赖复杂图形的石墨烯,为双波段结构的制备提供了有效的参考方向。