宽入射角高效宽带超表面太赫兹线极化转换器

为解决当前太赫兹频段下的极化转换器件带宽窄和带内转换率低的问题,设计了一款基于超表面的高效率太赫兹线极化转换器。通过在两端增加一对谐振枝节的方法,将原本的单谐振频点变为2个,增加了极化转换器的工作带宽。另一方面,利用超表面在电磁谐振时的高阻抗表面特性,获得了极低的同极化反射系数,提高了带内的总体转换效率。仿真结果显示,该结构能够在0.401~0.555 THz的宽频带范围内实现高效率的线极化转换,相对带宽约为32.5%,带内转换率高于95%。在理论分析方面,通过对高转换率频率下的表面电流与相位的仿真,阐明了宽带高转换率的机理。研究了该结构对于太赫兹波入射角度的依赖性,结果表明,该结构在0°~40°的入射角范围内均可保持较好的极化转换性能。同时,这款极化转换器具有设计简单的优点,这些工作能够对宽带高效的超表面极化转换器件设计提供设计思路。     

静电喷印技术在太赫兹超表面制备中的应用

近年来,太赫兹技术快速发展,基于超表面的太赫兹器件受到广泛关注,并已应用于太赫兹成像、光谱和生物传感等诸多领域。但太赫兹超表面器件的制备复杂且成本高,而静电喷印技术无需掩模版,成本低、精度高且易于在异形曲面上制作。基于静电喷印技术设计和制备了太赫兹吸波器,并利用太赫兹时域光谱系统（THz-TDS）对样品进行了性能测试,实验与仿真结果基本相符,在0.098~0.353 THz频段内吸收大于90%。此外,还设计了太赫兹线极化转换器,在0.167~0.355 THz频段内的极化转换大于95%,相对带宽约72%,并分析了所设计样品的制备工艺条件,验证了静电喷印技术对于制备太赫兹极化转换器的可行性。研究成果表明,静电喷印技术在太赫兹超表面器件的制备中具有广泛的应用前景。     

双频带柔性极化转换超表面的仿真研究

针对刚性介质基板材料难以弯曲共形以及宽带宽、高极化转换效率(polarization conversion ratio,PCR)和小型化极化转换器的应用需求,本文提出一种双宽频带、高PCR的柔性极化转换超表面。所设计的超表面由金属图案层、柔性介质层和金属接地板组成。仿真结果表明,该超表面在8.52—13.35 GHz和15.12—19.54 GHz频带内将线极化波极化方向旋转90°,PCR分别为96.50%和98.43%,相对带宽分别为44.21%和25.51%。通过改变柔性介质层厚度调控双频带极化转换性能。对谐振频率处的表面电流进行仿真,分析了双频带和高PCR的机理。此外,研究该超表面的PCR对入射角和极化方式的依赖性,结果表明该超表面在0—30°入射角内具有较好的双频带极化转换性能,且具有极化不敏感性。所提出的双频带柔性极化转换超表面在电磁波极化调控应用中拥有巨大潜力。     

矩形开口环-贴片结构超表面极化转换器特性研究

为了在宽频带内实现对线极化波的高效交叉极化转换,提出了一种基于矩形开口环-贴片结构的超表面极化转换器。首先,将超表面经典的矩形开口环和贴片两种单一金属图案优化组合获得超表面极化转换器,并仿真获得其极化转换率;然后通过理论推导和表面电流分析阐述了极化转换的物理机理;最后研究了超表面极化转换器对入射角度的依赖性。结果表明,该超表面极化转换器的极化转换率超过了90%,相对带宽达到81.3%;而转换器表面电流形成的电磁谐振是产生极化转换的主要原因,且该极化转换器在0°～30°入射角范围内仍有较好的性能。     

基于超材料的太赫兹1/4波片设计及特性分析

提出了一种基于超材料的透射式太赫兹1/4波片,将传统的开环谐振型结构改进为“叉指”型结构,实现了线极化波向圆极化波的有效转换。测试表明,在0.818~0.973THz内,透射波的轴比小于3dB,椭圆度χ＞0.81,器件将线极化波转换为圆极化波的效率为50%~75%。与现有的太赫兹1/4波片相比,该器件极化转换效率高、结构简单,仅由一层介质层和两层金属层组成。所提出的太赫兹1/4波片在太赫兹无线通信、太赫兹成像等领域具有重要的应用前景。     

太赫兹超材料极化转换器设计及其特性分析

提出了一种反射型太赫兹超材料极化转换器.该极化转换器结构单元由典型的三层结构组成,上、下两层为金属层,中间为介质层,顶层金属层由一个开口谐振环和一个镂空圆盘组成.研究结果表明:该极化转换器能够将x极化波转换为y极化波,在0.584 0～1.352 0 THz频带上极化转换率大于80％,在0.642 4、0.936 4和1.301 8 THz处极化转换率接近100％.该极化转换器结构简单、便于加工,且能实现宽频带极化转换,在太赫兹波通信、成像等方面有广阔的应用前景.     

一种双分裂环结构的线-圆和线-交叉极化转换器

文中提出了一种高效、多功能的超表面极化转换器,该转换器由双分裂环谐振器周期阵列构成并置于F4B-2介电基板上。通过双分裂环谐振器的耦合效应可以有效拓展工作带宽。采用有限积分法对其极化特性进行分析。仿真结果表明：在5.5～8.55 GHz的频带(相对带宽为43.4%),实现了线极化到圆极化的转换,其能量转换效率优于99.5%;在10.31～15.31 GHz的频带(相对带宽为39%),实现了线极化到其交叉极化的转换,其极化转换比大于0.99。实验上,制备了样品并测试了其极化转换特性,实验结果与仿真结果基本吻合,验证了该转换器设计的合理性和有效性。所提出的超表面具有高效率、大工作带宽、多功能的特点,可应用于无线通信和极化操控设备。     

基于超表面的超宽带线极化转换特性研究

极化转换在太赫兹调制领域具有重要的研究意义和应用价值。传统的极化转换器件存在尺寸大、集成度低、损耗高、带宽窄等诸多不足。该文提出一种对称“山”型超表面共振单元结构,可用于实现反射、透射极化转换器件的设计。其中反射型器件实现了极高极化转换率的宽带线极化转换,透射型器件实现了相对带宽达135.5%的超宽带线极化转换。采用各向异性理论分析了反射型器件产生极化转换的机制,并基于多重干涉理论对共振结构阵列与金属背板构成的类F-P腔进行了计算,计算结果与仿真吻合较好。进一步使用正交线栅类F-P腔与共振结构阵列,构成透射型器件,并深入分析了共振单元结构不同部分对宽带极化转换的贡献,讨论了不同结构形成的极化转换频段间的耦合方式。研究结果为基于固定相位差的超宽带偏振极化转换器件的实现以及超表面类F-P腔应用提供了新的思路。     

双频太赫兹圆极化吸波与异常反射手性超表面

本文提出了一种工作在太赫兹频段的双频圆极化手性吸波和异常反射手性超表面，通过合理组合两种手性结构，实现在两个频段相互独立的圆极化手性吸收和异常角度的圆极化转换功能.该双频太赫兹手性超表面在2.53 THz处对左旋圆极化波的吸收率为96.3%，对右旋圆极化波实现同极化的反射；在3.43 THz处对右旋圆极化波的吸收率为90.9%，而对左旋圆极化波表现为同极化反射功能.本文进一步通过连续旋转单元图案引入几何相位，实现了2π反射相位全覆盖.组阵后的手性超表面在两个工作频点各自吸收特定旋向的圆极化波，而对正交极化的圆极化波分别发生约±20°的保手性异常反射.这种基于手性超表面的双频太赫兹多功能器件有望应用于电磁能量收集、极化转换器、手性传感等领域.     

基于超表面的高效宽带双极化转换器设计

超材料和超表面因表现出天然材料所不具备的特 殊性能而广泛应用于电磁波调控。针对宽频带、高效率和小型化极化 转换器应用需求,本文设计一款宽带高效反射型超表面双极化转换器。基于电磁波极化调控 原理,在两角切方形贴片的基础上, 设计一款圆角切方形贴片周期性阵列超表面,实现单一宽频带内高效率线极化和圆极化转换 。研究表明,该极化转换器在6.850—11.050 GHz频段内极化转换效率(po larization conversion ratio,PCR)达90%,且性能可维持在入射 角 ≤45°范围内,覆盖整 个X 波段,实现高效率宽入射 角线极化转换;在6.225—6.402 GHz和12.562—13.472 GHz频率范围内轴比(axial ratio, AR)低于3 dB,实现高效率圆极化转换。此外,该超表面具有结构简单、宽入射角、加工方 便等优点,可满足微波通信、显微成像等领域的应用需求。     

基于双重共振响应的太赫兹柔性可拉伸超表面（特邀）

可拉伸器件中太赫兹波特性的主动控制对于涉及大机械变形或拉伸的先进太赫兹应用至关重要。将金属超表面与弹性薄膜聚二甲基硅氧烷相结合,设计并研制了基于不同微观机理的双带太赫兹波段主动控制器件。利用金属与弹性薄膜在拉伸作用下的形变失配,通过周期敏感的十字结构超表面实现了双带调制效果。在36%的拉伸下,利用偶极子模式和晶格模式分别在1.26 THz和2.41 THz处实现了调制深度为90%和78%的双频带调制。通过晶格模式进行的调制工作频率具有较大的动态范围,可以从2.41 THz调谐到1.85 THz。由于电偶极子谐振模式和周期性晶格谐振模式的机制彼此独立,因此可以独立地设计两个谐振频率,从而在几何上调节双带调制器的频率间隔。提出的可拉伸超表面制备简单,具有强度调制深度大,频率调谐范围广的优点,既能用于太赫兹波的主动控制,也能用于被动式的位移传感。     

Design of broadband polarization converter for terahertz waves

A broadband reflective polarization converter is proposed. The unit cell of polarization converter is composed of a single-split resonant ring, a double-split resonant ring, a dielectric substrate and a metallic ground. The simulated results show that the polarization converter can convert x-polarized waves into y-polarized waves and obtain a broadband polarization conversion from 0.501 0 THz to 1.390 0 THz with the polarization conversion ratio (PCR) beyond 80% at normal incidence. Moreover, the surface current distributions are investigated to explain the polarization conversion mechanism. Finally, a good agreement is achieved between simulated and measured results. The polarization converter can be applied in terahertz imaging, communication and stealthy technology.     

基于相位梯度光栅介电超表面的高效太赫兹波异常反射器

太赫兹(THz)波由于其诸多独特的性质,有着广泛的应用前景。然而由于相关材料和器件的发展相对滞后,太赫兹技术在实际中的应用尚有诸多限制。超材料和超表面概念的提出,能够对太赫兹波的相位、振幅、偏振进行有效操控,为太赫兹技术的发展提供了许多新的思路。其重要的功能之一是依靠相位不连续将入射波反射到非镜面方向,即通称的广义斯涅尔定律。然而,此前报道的大多数异常反射装置的效率都相对较低,在实际应用中存在局限性。针对这一问题,文中提出了一种太赫兹超表面异常反射器,将法向入射光反射到40°方向且不改变其偏振,并从理论上阐述了提高效率的思路,且通过数值模拟展示其有效性。通过使用全介质材料构建超表面从而消除材料损耗,并利用不同布洛赫波的耦合以提供非局部响应,令器件的工作效率超过99%。此外,这一设计理念可以推广到偏振无关器件中,并且对其他类似的器件也有一定参考意义。这一工作有潜力被应用于太赫兹波激光器、太赫兹波腔谐振器等太赫兹波实际器件中。     

各向异性超材料中太赫兹波的偏振转换

各向异性超材料可以控制太赫兹波的偏振态,实现入射太赫兹波的偏振转换。为了获得非手性各向异性超材料的透射响应与本征偏振复透射系数的关系及其入射偏振依赖性,在太赫兹时域光谱系统中测量了等臂长L形结构超材料在不同偏振角下的正入射透射谱,获得并分析了透射太赫兹波的偏振转换率和偏振态,所得结果与基于琼斯矩阵和坐标变换计算的结果一致。在0.7 THz~1.3 THz频率范围内可实现约20%的偏振态能量转换效率。在L结构和双L结构的偏振转换透射谱中分别观察到了宽带响应和多频共振响应,表明结构改变对太赫兹波透过特性的敏感性和可操控性。所得到的结果可用于太赫兹功能器件的设计、表征和优化。     

太赫兹波束可调谐的编码超表面设计

编码超表面可以通过编码序列设计对波束进行灵活调控,文中提出一种基于二氧化钒(VO₂)的可调谐太赫兹编码超表面. 设计中借助可调谐单元与不可调谐单元,通过VO₂由绝缘态到金属态的相变,在0.97 THz处实现了多种远场波束的动态切换. 此外,还设计了双频带太赫兹编码超表面,在0.97和1.97 THz两个不同频率下均可实现双波束. 这项工作为设计可调谐编码超表面、实现波束间灵活调控开辟了一条新的途径,将在通信和雷达领域具有广泛的应用前景.