基于二氧化钒超材料的双窄带太赫兹吸收器

提出一种基于二氧化钒(VO₂)超材料的吸收器,由3层结构组成,从上往下分别为2个VO₂圆、中间介质层和金属底板。仿真数据表明,该吸收器有2个很强的吸收峰,分别为4.96 THz和5.64 THz,相对应的吸收率为99.1%和98.5%。利用阻抗匹配理论和电场分布进行分析,阐明了吸收的物理机制,并进一步分析了结构参数对吸收率的影响。所提出的吸收器具有可调谐的特点,能够灵活调控吸收率,为太赫兹波的调控、滤波等功能的实现提供了良好的方案。该吸收器在图像处理、生物探测和无线通信领域都有潜在的应用。     

基于二氧化钒的太赫兹超材料动态可调宽带吸收器

在硅平面上设计了一种基于二氧化钒(VO2)超材料的可调谐太赫兹(THz)宽带吸收器,该吸收器由VO2谐振层和被SiO2介质隔开的金属反射层组成.数值仿真结果表明,具有高电导率(30000 S/m)的VO2表现为金属相,其吸收率大于90％时吸收带宽达到了 2 THz,并且分别在4.5 THz和5.8 THz处实现了吸收率...     

基于二氧化钒超材料的太赫兹波相位动态调控

基于二氧化钒,提出了一种可以动态调控太赫兹波相位的复合超材料结构。仿真模拟结果表明：当二氧化钒由绝缘态相变为金属态时,结构可以在1.15～1.65 THz带宽范围内实现超过140°的相移。通过引入多极子散射功率的计算,结合谐振中心频率处的电场和表面电流分布,深入研究了相移产生的物理机制。所提出的结构具有应用于太赫兹无线通信、传感以及太赫兹安检成像等领域的潜力。     

基于二氧化钒的太赫兹可调谐吸收器

通过在两层介质界面间实现巨大的相位移动,利用超薄的上层介质上下两层界面的相消和相长干涉,我们实现了在太赫兹波段的完美吸收,同时利用二氧化钒的相变特性,可以实现对吸收率的调控。与基于超材料而设计的谐振特性的吸收器相比,该结构具有结构简单、制作方便、对极化方向不敏感等优点。     

葡萄糖溶液的太赫兹光谱观察

生物有机分子的生物功能必须在其水溶液中实现。太赫兹波对水非常敏感,太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术能够检测生物分子——水分子界面的集体水分子网络动力学变化,是检测和研究生物有机分子溶液的理想工具。本文利用太赫兹时域光谱技术研究了葡萄糖的分子结构,获得葡萄糖及其不同浓度的溶液在室温氮气环境下的太赫兹时域吸收光谱,以及在室温真空环境下的傅里叶远红外光谱(FTFIR)。结果表明葡萄糖溶液对太赫兹波有特征吸收峰,不同浓度的葡萄糖溶液对太赫兹波的吸收各不相同。故使用太赫兹时域光谱技术能够完成葡萄糖及其不同浓度溶液的鉴别。     

二氧化钒复合薄膜太赫兹透射率模拟

二氧化钒(VO2)是一种具有可逆热致相变性质的材料,在太赫兹调制领域具有应用潜力。为了确认VO2复合薄膜对太赫兹调控的可行性,在进行相关实验之前,首先运用CST Studio Suite电磁仿真软件进行模拟研究,主要探究了VO2及其与金属光栅结合的复合薄膜的相关参数对太赫兹透射及调控的影响。仿真结果表明,VO2能很好地调控太赫兹的透射幅度,调控深度可由相变幅度控制。另外仿真发现,对VO2复合薄膜而言,通过控制光栅的参数变化可以改变太赫兹透射幅度,并且可以通过调控光栅周期实现对太赫兹调制深度控制。     

超快光场驱动的二氧化钒薄膜相变研究进展

二氧化钒(VO₂)是一种典型的强关联电子材料,当达到相变阈值时,会可逆地从绝缘单斜相转变到金属金红石相,这种相变主要通过温度、光照、电场、磁场、应力等激励条件激发。相突变可在亚皮秒时间尺度内发生,并会伴随着光学透过率、折射率和磁化率等特性的显著变化,其中相变前后电阻率会发生3～5个数量级的变化,这使得VO₂在智能节能窗、光电探测、光电存储、光开关等领域有着重要的应用前景。首先介绍了VO₂的相变机制,主要有电子关联驱动、晶格结构驱动以及两者共同驱动,接着重点介绍了利用超快时间分辨技术,尤其是太赫兹时域光谱技术,来研究VO₂薄膜的相变动力学过程,最后,介绍了基于VO₂薄膜的太赫兹调制器、太赫兹滤波器、太赫兹开关等领域的应用研究。     

基于二氧化钒相变材料的光电器件激光防护研究

随着激光致盲武器的快速发展,与之对应的激光致盲防护技术逐渐成为了一项重要的研究。相变材料二氧化钒(VO₂)因在合适的热、光、场等激励下发生半导体相与金属相的可逆相变导致光学和电学特性的显著变化而受到激光防护领域的持续关注。使用Drude-Lorentz模型对VO₂的光学常数进行了研究,针对单层二氧化钒在半导体相红外透过率不够高的问题进行了多层膜设计和优化,并实际制作了多层膜系。使用激光器与傅里叶红外光谱仪测试制备的VO₂薄膜,得到了薄膜的相变与防护效果等性能,验证了VO₂良好的激光致盲防护性能,实际测试表明半导体相的透过率大于92%,相变前后多层膜系的红外开关率超过98%。     

嵌入式二氧化钒超表面对太赫兹谐振模式的动态调控

提出了一种在超表面中嵌入二氧化钒(VO₂)从而对太赫兹波进行动态调控的方法。VO₂在68℃左右会发生绝缘体到金属的相变,导致其电导率发生4～5个数量级的显著变化。超表面由一个双开口金属谐振环阵列以及金属环开口处嵌入的VO₂结构组成。仿真结果表明,通过改变VO₂的电导率,太赫兹波可以实现高频与低频之间的谐振模式的切换。值得注意的是,这种模式转换不仅可以在实验中通过直接改变环境温度实现,还可以通过激光和强场太赫兹的泵浦完成。这种多样化的激励为该超表面在实际多场景应用中动态调控太赫兹波提供了参考。     

肝脏和肺组织的太赫兹光谱成像

与红外辐射、X射线、核磁共振、超声波等传统医疗诊断技术相比,太赫兹技术具有能量低、空间分辨力高和带宽宽等独特分析能力,成为人体成像或人体组织癌症诊断技术的补充技术。分别对肝脏和肺的正常组织与肿瘤组织做了太赫兹光谱检测与太赫兹成像研究,通过肝脏的光谱检测与成像实验总结出相关经验,使得肺癌组织太赫兹成像得到了明显的效果,并且发现肺癌肿瘤组织在1.0 THz~1.75 THz频率范围内的太赫兹成像能够明显区分出正常组织与肿瘤组织,且频率越高,成像分辨力越高。     

利用噪声谱表征二氧化钒薄膜的光学相变特性

利用自主搭建的实验系统,同步实时地测量了热致相变材料二氧化钒(VO2)薄膜在相变过程中的反射率及其涨落(噪声谱).实时傅里叶变换采集卡测得的噪声谱不仅可以像反射率测量一样给出样品的相变温度(55℃),还在样品的高温区金属相里发现了一个明显的噪声峰(位于15~20 MHz),而低温区半导体相的噪声谱几乎是平坦的.这种噪声峰也反映了薄膜样品中低温半导体相和高温金属相的晶体结构差异.噪声谱测量可以广泛地应用于相变材料的研究.     

室温相变氧化钒薄膜的制备及其CO2激光毁伤试验

军事目标的抗强激光毁伤是亟待解决的热点难点问题,利用氧化钒的相变特性进行激光防护是当前这一领域的热点之一。本文采用直流磁控溅射加后续热处理的方法在普通玻璃基底上制备了氧化钒薄膜,通过测量其电阻温度特性曲线来观测其相变特性,并利用功率为8.9 W、光斑直径为4.4 mm的二氧化碳连续激光分别照射用作基底的普通玻璃和制备的相变氧化钒薄膜样品进行激光毁伤试验。试验数据显示该薄膜的相变温度约为30°C,薄膜的双向光谱反射率在相变前后分别为13.48%和76.4%,用作基底的玻璃在激光照射7.5 s后破碎,而制备的薄膜样品在照射38 s后才破碎。这表明本文制备的室温相变氧化钒薄膜在相变后具有高反射特性,从而具有一定的抗强激光毁伤能力。     

VO2薄膜的制备及表征

综述了目前VO2薄膜主要的制备方法(sol-gel法,蒸发法,脉冲激光沉积,溅射法和CVD)及其优缺点;以及X射线技术、光电子能谱、光谱技术、显微技术等表征手段在VO2薄膜研究中的应用。如何方便地获得准确化学计量的VO2,获得结晶性好的薄膜结构以及与基体间具有良好结合力的制备方法,是今后关注的问题。     

利用同步测量研究二氧化钒薄膜的电学与光学相变特性

利用射频磁控溅射方法在蓝宝石衬底上制备了氧化钒薄膜,X射线衍射的测量结果表明薄膜的主要成分是多晶二氧化钒.实现了二氧化钒薄膜半导体-金属相变过程的电阻和五个不同波长下薄膜反射率的同步测量.实验结果表明,电学和光学测量都在相变过程中出现回滞曲线,但是二者的表现形式有明显差别.当用光学方法探测时,同一次相变过程中不同区域的反射率曲线几乎完全重合,证明了薄膜样品的均匀性.     

高调制度光致相变特性氧化钒薄膜太赫兹时域频谱研究

基于太赫兹(THz)时域频谱技术研究了飞秒激光激发下氧化钒纳米薄膜的光致绝缘体-金属相变特性。利用直流磁控溅射法在不同条件下制备了一系列蓝宝石基底上的氧化钒薄膜,通过测量薄膜发生光致相变后太赫兹波的透射率来评估成膜质量,得出在溅射时间60min不变的情况下,退火时间和退火温度分别为60s和560℃时可以得到性能非常良好的氧化钒薄膜。在上述最佳条件下制备的氧化钒薄膜的相变深度可达80%。利用薄膜近似计算了太赫兹波段氧化钒薄膜在光致相变过程中电导率的变化,计算结果表明电导率实部在103Ω-1·cm-1量级,并基于Drude模型得到了金属态氧化钒薄膜的复介电常数以及复折射率。在绝缘衬底上制备的具有明显阈值激发功率且相变深度大的氧化钒薄膜将在太赫兹调制器件中有重要应用。     

基于介质超材料的太赫兹偏振和相位控制

采用基于介质高阻硅超材料,设计了太赫兹(TH z)波段高效率(>64%)宽带的偏振转换器,并介 绍了利用该器件控制相位的方法。采用8个不同尺寸的介质微结构作为控制相 位的基本单元, 通过恰当地排布它们的空间位置,设计了一个高效率、超宽带的THz波异常偏折 器,其有效工 作带宽范围为0.75～1.50THz,在1.25THz处 效率最高可达70%以上,且偏折角度与频率相关, 符合广义斯涅尔定律的描述。实验中,采用了自主搭建的角度分辨的光纤化THz时域 频谱系统对设计的 器件进行了表征,实验结果和仿真模拟及理论预测结果非常吻合。这种基于介质超材料的方 法,克服了传 统金属超材料中欧姆损耗的问题,且设计简单,加工方便。     

快速热处理对磁控溅射VO2薄膜光电特性的影响

采用反应磁控溅射法制备二氧化钒(VO2)薄膜,并对其进行快速热处理(RTP)。主要研究500℃快速热处理10、15、20s工艺条件下VO2薄膜结晶状况和光电性能的变化。在20℃～80℃温区内,应用四探针薄膜电阻测试方法和太赫兹时域频谱技术(THz-TDS)测量了各样品的电学相变特性和光学相变特性。结果表明,经过快速热处理的样品电学相变幅度均达到了2个数量级以上;THz波的透射率在半导体-金属相变前后的最大变化达到了57.9%。同时发现,热处理500℃,10s时VO2的电学和光学相变幅度相对要大,当热处理时间达到15s左右时薄膜的相变幅度变化不再明显。快速热处理时间的长短对热致相变温度点的影响较小,但热致电学相变和光学相变的相变温度点不同:光学相变的温度为60℃左右,电学相变温度则在56℃附近。     

不同物相二氧化钒间的相互转化及其相变性能研究

利用乙醇还原[VO(O2)2]-配合离子可以成功制备出VO2(B)纳米带;考察了VO2(B)在煅烧和水热条件下转化其它物相VO2的条件.结果表明,在惰性氛围中,VO2(B)在700℃的条件下煅烧2 h可以转化为VO2(M);在水热条件下,如果体系中无掺杂剂,VO2(B)可以转化成VO2(A);如果体系中存在掺杂剂(如钼酸),则VO2(B)转化为掺杂的VO2(M).在一步水热法制备VO2(M)过程中,选择掺杂剂是至关重要的,掺杂剂有利于形成掺杂VO2(M),使VO2(M)在水热条件下能够稳定存在.VO2(A)在惰性氛围中煅烧,发现VO2(A)也可以转化为VO2(M).不同物相VO2具有均一的带状形貌,初步探讨了VO2之间的转化机理.VO2(A)的相变温度为162.4℃;Mo掺杂VO2(M)的相变温度为53.7℃,说明掺杂Mo原子可以有效降低VO2(M)的相变温度,也表明Mo原子可以有效地进入VO2(M)晶格中.     

太赫兹光场成像的实验与处理研究

太赫兹波的频率介于红外线与微波之间,其独特优势使得太赫兹三维成像已成为国内外的研究热点。为了将光场成像技术拓展到太赫兹波段,介绍了太赫兹光场成像的实验与处理方法。采用太赫兹相机阵列采集到了一系列特定视角的太赫兹光场数据。针对由成像系统的器件限制导致图像存在较强噪点等问题,通过离散余弦变换（Discrete Cosine Transform, DCT）滤波达到了较好的去噪效果并有效保留了图像的细节信息。利用峰值信噪比（Peak Signal-to-NoiseRatio, PSNR）和结构相似性（Structural SIMilarity, SSIM）图像质量评价指标对比了多种滤波去噪方法,证明了DCT滤波方法对于太赫兹图像预处理的可行性。通过选取不同深度值得到了不同景深处的图像重构结果,初步实现了太赫兹光场成像的数字重聚焦。