基于柔性基底的双层J型可拉伸手性太赫兹超表面

结构的手性在自然界中普遍存在，通常表现为不能通过平移或旋转与其镜像结构重合的现象。因为光谱探测技术能够反映光和物质相互作用产生的丰富信息，所以利用光学方法检测手性特征成为了探测和鉴别手性物质的常用手段。手性超表面能够通过人工设计达到极大的圆二色性（CD），是物质检测和传感领域的研究热点。设计了一种可动态调控CD响应，同时实现高传感性能的太赫兹手性超表面。该超表面以柔性材料为基底，前后表面为四重旋转对称的J型金属结构。仿真结果表明：该手性超表面在0.760 THz处能够产生高达0.805的强CD值；通过二维方向等比例拉伸，CD峰从0.760 THz红移至0.650 THz附近，且能保持很高的CD信号；同时，其传感灵敏度高达327 GHz/RIU，且在相对拉伸形变量高达20%的拉伸过程中仍能较好地保持手性响应和传感性能。所设计的手性超表面在动态多功能器件、可穿戴传感器领域具有潜在的应用价值。     

基于太赫兹超材料的微流体折射率传感器

设计加工了一种太赫兹超材料微流体传感器件,利用时域有限差分法（Finite Difference Time Domain,FDTD）对其在太赫兹波段的传输、谐振及传感特性进行数值模拟。采用太赫兹时域光谱系统实验研究了偏振方向对传感器灵敏度的影响。实验结果表明,当超材料谐振环开口方向与入射太赫兹波的偏振方向平行和垂直时,折射率传感灵敏度可分别达到39.29 GHz/RIU和74.43 GHz/RIU。通过等效电路模型对该超材料器件的传输和谐振特性做了分析,并进一步明确了其传感机制。该超材料器件可对微量液体（5 l/mm2）实现芯片式的折射率传感,具有较高的传感灵敏度,在化学生物传感器的设计和制造领域具有潜在的应用前景。     

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.     

双频段太赫兹超材料吸波体的设计及传感特性研究

提出了一种基于不同半径金属圆环加载于介质层的新型太赫兹超材料吸波体,实现了双频段的完美吸收和偏振不敏感性,且具备宽角度入射时可达到良好吸收的性能。仿真结果表明,该吸波体在f1 = 2.335 THz 和f2 = 4.215 THz 均可实现完美吸收,吸收率高达99. 99%;当入射角度达到70°时吸收率仍能保持80%以上。进一步分析可知,两个吸收峰分别由半径不同的金属圆环谐振产生,故而吸收峰的谐振频率可以通过调节圆环的半径进行单独调制。此外,还研究了该吸波体在介电传感和厚度传感两方面的应用。结果表明该吸波体对介电常数小于10的物质具有较好的传感性能,且吸收峰f2 的灵敏度较高;而应用于厚度传感时,吸收峰f1 的稳定性更适宜。研究结论对于设计新型超材料吸波体及其在传感中的应用具有重要意义。     

太赫兹波段硅片组偏振器的设计及其应用

为了克服目前应用于太赫兹波段的偏振器件成本较高、加工难度较大、易产生法布里-珀罗效应回声等缺点,利用平行堆叠硅片的布儒斯特效应,设计了一种新型的适用于太赫兹波段的硅片组偏振器件。根据不同油品中手性化合物浓度不同对太赫兹波的旋光性不同的原理,用该偏振器对97#汽油、柴油及其混合油样品的旋光性进行测量,实现了混油检测。结果表明,设计的偏振器消光比高于1059、透过率高于99%、适用频段为0THz~3THz; 利用硅片组偏振器对97#汽油、柴油以及两种按不同体积分数混合的油品进行旋光性的测量,实现了对油品的定性和定量检测。该偏振器件的设计满足太赫兹波段的偏振需求。     

太赫兹液晶可调谐功能器件

介绍了不同液晶材料在太赫兹(THz)波段的光学各向异性和外场调制特性。在此基础上,综述了几种基于液晶与人工电磁微结构相结合的THz功能器件,该器件可实现对THz波的调谐滤波、电磁诱导透明、相位调制以及偏振控制功能等;系统地分析了液晶与人工电磁微结构的相互作用机理、THz波长尺度下液晶的外场调控规律与表面相互作用。此外,还对THz液晶光子器件的研究发展趋势进行了展望。     

用于氨氮检测的三维微纳氨气传感芯片及系统研究

该文设计并制备了一种多层微结构的安培型氨气三维微纳传感芯片,并构建了以此微传感芯片为敏感单元的氨氮检测系统,探索了使用安培型氨气微传感器检测氨氮的方法。该微传感芯片采用微纳加工工艺制备,使用聚合物键合工艺在较低温度下实现了微传感器多层结构的封装。使用纳米铱作为传感器的敏感材料,其具有良好的电催化氧化能力,可使传感器具有较高的灵敏度。对Ag/AgCl微参比电极的稳定性进行了考察。使用自行设计的氨氮检测系统对氨氮样品进行检测,对微传感器的时间响应特性、浓度响应特性、重复性及选择性进行了测试和分析。实验结果表明,在0.5~10 mg/L的测试范围内,检测电流与氨氮浓度保持良好的线性,灵敏度为1.62 A/(mg/L),线性相关系数为0.995,重复性偏差为5.73%。同时,传感器显示出良好的选择性。     

低温下手性糖类的太赫兹吸收光谱和手性光谱

糖类是典型的手性物质,其在太赫兹波段的手性光谱尚未得到充分研究。本文研究了乳糖、半乳糖、葡萄糖3种糖类在低温和常温下的折射率和吸收谱,并通过太赫兹时域偏振光谱检测,获得了这些样品的手性光谱。实验结果显示,糖类吸收会随着温度降低而减弱,低温下有利于获得样品的手性特征;在80 K温度下,葡萄糖在1.3~1.5 THz频段表现出很强的圆二色性(CD),在1.39 THz处CD谱峰值达到44.97%;在1.6~1.8 THz频段内,3种糖类都具有特定的手性特征峰,CD值均超过20%。研究结果对进一步认识手性生化样品在太赫兹波段的手性光谱及其内在机制具有重要参考价值。     

THz波微结构器件特性的研究

在电磁波谱中所处的特殊位置使得THz波在在物理、化学、生物医学、电子科学、材料科学、环境监测等领域有着广泛的应用前景。综述了THz波微结构器件特性方面的研究工作。亚波长金属周期微结构器件的THz波谱选择增强透射现象,亚波长环形槽金属线上的THz等效表面等离子体激元,以及THz光子晶体光纤。     

连续太赫兹波偏振成像检测

研究了一种基于偏振特征的连续太赫兹(THz)波成像检测技术。实验采用相干公司SIFIR-50连续THz波激光器作为光源,搭建THz实时偏振成像系统。根据目标透射光偏振特性的差异,利用日本NEC公司IRV-T0831C型非制冷测微辐射热THz相机,获取金属结构、货币水印和隐藏物体三类典型目标的THz波透射图像,计算目标的斯托克斯参量图像和偏振图像,分析了THz波偏振成像的检测特性。实验表明,THz偏振成像技术既发挥了THz波无损成像的优势,又能有效提高目标的识别效率,使不同目标物体的成像差异最大化。     

人工微结构太赫兹传感器的研究进展

近年来,太赫兹技术得到迅速发展,在通信、反恐、检测和医药等领域展现了广泛的应用潜力。尤其是许多生物分子和材料在太赫兹波段存在特征的吸收光谱,而且太赫兹波能量低损伤小等特点,使得太赫兹生化传感器越来越受到关注。然而,由于太赫兹波的波长较长与生物分子等的尺寸差别非常大,导致相互作用比较弱,从而限制了太赫兹传感器的性能。通过微纳电磁结构对光场空间分布和频率分布的调控,增强太赫兹波传感器的灵敏度是当前的研究热点。文中将重点介绍各种微纳结构太赫兹传感技术的原理和研究现状,并通过梳理其发展趋势和当前的性能制约因素,讨论此方向将来的发展方向和应用前景。     

Nonlinear Terahertz Generation: Chiral and Achiral Meta-Atom Coupling

Generation and manipulation of terahertz (THz) waves are of vital importance for advancing THz technology. Nonlinear metasurfaces allow effective integration of both processes into a single compact device. However, such existing THz devices commonly rely on utilizing a single meta-atom, which has fixed THz generation properties and thus limits the range of achievable functionalities. Here, it is demonstrate how coupling between different meta-atoms within the unit-cell can be used as a degree of freedom for controlling nonlinear THz generation, where achiral coupling provides full control over the amplitude of the generated THz field, while chiral coupling makes the THz generation sensitive to the handedness of the pump polarization. In particular, chiral coupling allows the realization of multiplexed pump-handedness-selective nonlinear metasurfaces, which is illustrated experimentally by selectively generating THz beams with different orbital angular momentum with a single nonlinear metasurface. This approach provides opportunities for developing various integrated nonlinear THz devices.     

THz-wave absorption by field-induced carriers in pentacene thin-film transistors for THz imaging sensors

Innovative sensing systems based on THz electromagnetic waves have been attracting a great deal of attention. Although many THz detectors have been developed over the years, it is currently difficult to manufacture low-cost THz sensing/imaging devices. In the present study, we propose to use organic field-effect transistors (OFETs) and small potential fluctuation against the carriers within them (N. Ohashi, H. Tomii, R. Matsubara, M. Sakai, K. Kudo, M. Nakamura, Appl. Phys. Lett. 91 (2007) 162105). We use THz time-domain spectroscopy for OFETs in which the carrier density in the pentacene active layer is modulated by the gate bias. We found evidence that the accumulated free holes in pentacene films can be excited by THz photons to overcome the surrounding barriers in the fluctuating potential. The Drude–Lorentz model could not account for the shape of the absorption spectra, which suggests that the holes are weakly restricted by the potential fluctuation. The integrated absorption intensity was proportional to the transfer characteristics of the OFETs. The present findings represent an important step toward developing a new class of THz-wave sensors.     

基于太赫兹时域光谱技术的水蒸气传输特性研究

为了评估太赫兹波在空间通信、雷达、遥感等方面的潜在应用,需要研究太赫兹波在大气中的传输特性。由于0.1～2 THz的太赫兹波在大气中传输的主要衰减来自水蒸气,采用太赫兹时域光谱技术(THz Time-Domain Spectroscopy,THz-TDS),在2 m长的太赫兹传输行程中对不同湿度的空气进行了透射光谱测量,获得了水蒸气在0.1～2THz频率范围内的吸收谱、传输率和弱衰减窗口。     

可用于农药传感的多带太赫兹超材料吸收器

多带太赫兹超材料吸收器是响应、操纵和调制太赫兹波的重要光子元件。本文基于周期性分裂环谐振器结构构建了一种多带太赫兹超材料吸收器。模拟和实验测试显示,在横磁(TM)极化情况下该超材料吸收器对0.918 THz和1.581 THz处的入射太赫兹波呈现出近似完美吸收。进一步,基于器件共振吸收峰的介电敏感特性,研究了负载不同浓度的多菌灵、三环唑、百草枯、塞苯隆4种农药溶液后超材料吸收器的传感性能,获得器件对4种农药的检测灵敏度分别为：1.06 GHz/ppm、0.65 GHz/ppm、0.67 GHz/ppm、2.07 GHz/ppm。结果表明该器件可实现对微量农药的传感检测,为今后食品质量安全控制提供了新的思路。     

中红外集成光子传感系统研究进展（特邀）

近年来，中红外（波长范围2~20 μm）集成光子学因其潜在的应用场景如吸收光谱、热成像、自由空间光通信等而受到了广泛的关注。中红外波段包含了多个大气透明窗口，有着作为气体传感应用的先天优势，并且得益于近红外成熟的器件设计测试流程与微纳加工技术，一些近红外的应用也能够较快地拓展至中红外波段。此外，集成光子器件在一些传感应用中不仅可以做到媲美传统设备的灵敏度，同时还具有低功耗、低成本、结构紧凑，易于与其他设备集成的特点。因此，中红外集成光子传感器件在未来将会在工业检测、科学研究、医疗诊断、军事安防、民用生活等领域中不断发挥出重要的作用。文中对中红外传感系统的三个主要部分:传感单元、光谱仪和探测器做出了简要介绍，展示了目前中红外集成光子传感器件的研究进展，并对其未来发展做出了展望。     

Ultrasensitive,Low‐Voltage Operational,and Asymmetric Ionic Sensing Hydrogel for Multipurpose Applications

Current artificial tactile sensors mostly exploit a variety of electron‐related physical mechanisms to obtain high sensitivity and low detection force. However, these mechanisms are still distinct from the ion‐related biological processes of human's tactile sensation, and are therefore away from the goal of bionic applications. In the past few years, only several types of ionic tactile sensors have been proposed, and they are still subject to low sensitivity. Here, a novel type of ultrasensitive hydrogel tactile sensor is reported based on asymmetric ionic charge injection as the working mechanism, named as asymmetric ionic sensing hydrogel (AISH). With a small external working voltage of only tens of millivolts, these AISH devices show an extremely low detection force of 0.075 Pa, ultrahigh sensitivity of 57–171 kPa^?1, and excellent cycling reliability upon pressing. Applications of these ultrasensitive tactile sensors in fingerprint identification of voice, monitoring of pulse waves, and detection of underwater wave signals are experimentally demonstrated. Combining the merits of simple fabrication process, ionic‐type detection mechanism, and ion injection procedure, such AISH sensors not only reveal a new strategy toward highly sensitive tactile sensors, but also show realistic potential applications in future wearable electronic and bioelectronic devices.