太赫兹波在谐振环多层超材料传输特性的研究

利用时域有限积分法研究了太赫兹波在谐振环多层超材料的传输特性。结果表明,对于尺寸相同的谐振环构成多层超材料,超材料从1层变化到5层时,在共振频率0.80 THz处,谐振谷值从-17 dB～-44 dB,共振明显比单层强很多。对于不同尺寸谐振环构成多层超材料,共振频谱带宽明显增强,半高全宽从0.08 THz变化到0.26 THz。结果表明,多层超材料具有比单层更好的太赫兹波特性,这些传输特性为太赫兹波滤波器、吸收器及偏振器等器件设计具有重要价值。     

基于锑化铟的可调超材料太赫兹带阻滤波器

提出了一种工作在太赫兹频段, 基于半导体材料锑化铟的超材料带阻滤波器.由于锑化铟材料介电常数的特性, 该滤波器的谐振频率能够进行温度调节.同时, 通过有限积分法和等效LMC电路模型分析了滤波器的几何参数对其谐振频率的影响, 这两种方法得到的结果具有良好的一致性.在温度的取值范围是220～350 K时, 滤波器的谐振频率能够从0.91 THz动态调节到1.28 THz, 并且其阻带谐振频率的透射系数能够有限地被抑制.该滤波器的传输特性在30°入射角范围内具有良好的稳定性.设计的可调超材料带阻滤波器将在太赫兹无线通信、传感等方面有潜在的应用前景.     

基于SRR的超材料太赫兹调制器结构设计与调制深度仿真

电磁超材料可用于构建具有控制太赫兹辐射通断功能的太赫兹强度调制器.利用COMSOL仿真软件,通过模拟仿真,研究了基于开口谐振环(SRR)“工字型”超材料太赫兹调制器关键功能结构对器件透射光谱的影响规律,并以此完成了高调制深度器件的结构优化设计.仿真结果表明:优化后器件调制深度达到了74％.     

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。     

太赫兹多谐振环偶极子超表面中的类EIT效应

设计了一种在太赫兹波段下的四谐振环偶极子超表面结构,超表面的单元结构由一对反向的非对称开口谐振环(ASRR)及基底介质组成。在其谐振谱中观察到1个典型的类电磁诱导透明(EIT)现象。利用法诺(Fano)谐振模型对这种电磁诱导透明谐振谱进行拟合,良好的拟合结果揭示了不同谐振模式之间的耦合作用。此外,研究发现谐振的电磁特性对金属谐振环的开口间距非常敏感,开口间距的改变带来了谐振的频移和Q值的变化。该多谐振环偶极子超表面不仅为实现EIT效应提供了有效途径,而且有利于开发更多的太赫兹功能器件。     

结构对太赫兹超材料光调控特性的影响

利用光泵浦太赫兹探测系统研究了3个基于开口谐振环的超材料的光调制性质。结果表明:当太赫兹波的电场矢量平行于超材料底边,设计太赫兹超材料时,需要避免对称性样品的中间条等长。然而,非对称性的样品存在耦合和劈裂现象。由于不同的共振机制,低频LC共振对光较为敏感。虽然样品由于设计结构的区别使得各自共振峰位有所不同,但它们对光所呈现出的调制特性是相同的。即当太赫兹波的电场矢量平行于超材料两侧的边时,由于结构的原因在透射谱中只有一个透射凹陷,此透射凹陷表现为偶极共振且该偶极共振特性对光激励不敏感。     

基于裂缝谐振环周期结构的高阻表面

近几年来,一种具有电小尺寸特性的平面裂缝环谐振结构,被广泛应用于人工电磁材料的设计中.文中对由裂缝谐振环构成的高阻表面结构进行了详细分析.分析结果表明,由裂缝谐振环形成的高阻表面具有极化选择性,并且有一定的窄带吸收性能,可用作薄层吸收材料.通过对裂缝谐振环的合理排列,可以构成一种完全对称的新的单元结构.这种完全对称的结构可消除极化带来的影响.实验测量结果与理论分析吻合.     

偏振不敏感的九聚物太赫兹超材料

在实验上提出将九个开口谐振环以第一个谐振环的开口方向为基准按照涡旋状的轨迹排布,且依次将开口环逆时针扭转40,构成九聚物太赫兹超材料,并在理论上系统研究了该超材料的传输特性。将原本只具有单一谐振模式的开口谐振环按照类似于低聚物的结构排布方式构成周期单元结构时,利用结构末端引起的能量耦合来增强相邻谐振器间的能量耦合,便会有更多的谐振模式产生,最终实现偏振不敏感的效果。这种思路丰富了传统超材料离散结构的设计理念,为太赫兹超材料功能器件,如开关,调制器和滤波器等的设计提供了一种新的参考方案。     

可调谐超材料太赫兹多频带阻滤波器理论研究

超材料的发展为太赫兹技术提供了良好的载体,使太赫兹器件得到飞速发展。滤波器作为其中重要的功能器件,实现了太赫兹波段的单频和多频滤波。文章提出了一种新型超材料太赫兹滤波器结构,该结构可同时应用于LC谐振和偶极谐振,实现了太赫兹滤波。重点对几何参数对器件滤波性能的影响规律进行了研究,通过优化滤波器关键结构参数,实现了良好的双频带和三频带太赫兹滤波。     

太赫兹超导人工电磁超材料的研究进展

太赫兹人工电磁超材料一直存在损耗大、性能不佳和不可灵活调控等问题。超导材料的损耗极低,是太赫兹波段高性能功能器件的优选材料之一。介绍了太赫兹超导人工电磁超材料的发展,并详细总结了其低损耗的特性以及灵活调控的方法。结合太赫兹波段高性能功能器件的应用需求,分析了太赫兹功能器件的发展趋势、存在的问题以及所面临的关键科学问题。     

基于方形开口环的太赫兹偏振转换器设计

基于方形开口环与金属棒组合的超材料结构,提出一种新型透射式太赫兹偏振转换器件。研究了基本结构单元的不同组合方式对偏振转换特性的影响,并通过优化结构单元的相关参数,提高了偏振转换功能的工作带宽。最终在0.45~1.30 THz范围内实现了高效的X-Y方向交叉极化偏振转换,有望用于集成化太赫兹偏振转换器件的研究和应用中。     

Terahertz Metamaterial Modulator Based on Vanadium Dioxide

We present a design of terahertz modulator based on metamaterial absorber structure withvanadium dioxide (VO2), which can be controlled by optical-pumping or temperature variation. With the state change of VO2 from an insulator to a metal, the absorption has an abrupt increase from zero to 88.5%. In particular, the VO2 layer here is used to not only provide the modulating character, but also replace the metal ground plane to join the resonance operating as a metamaterial absorber. This work demonstrates a feasibility of VO2 in metamaterial perfect absorber, and exhibits potential applications in controllable terahertz devices.     

基于双开口环型的太赫兹超材料传感器设计

设计了一款可用于检测材料折射率及厚度的双开口环型太赫兹超材料传感器,其结构由双开口方环与圆环嵌套的超材料结构和聚酰亚胺衬底两部分构成.当太赫兹波垂直入射超材料表面时,该传感器结构在0.8～1.8 THz范围内形成三个高Q值谐振峰(中心频率分别为f1,f2和f3).通过探讨超材料结构表面电流分布与三个谐振峰形成的关系,观察到超材料结构对入射太赫兹波的不同响应特性导致产生不同的表面电流分布.此外,还对该传感器在折射率传感和厚度传感方面的应用进行了探究.在待测物厚度一定的情况下,该传感器在谐振频率f1,f2和f3处的传感灵敏度分别可达170,103和119 GHz/RIU,均具有优越的传感特性,可利用其多谐振峰进行高灵敏度折射率传感.这种高灵敏度的多谐振峰折射率传感器可以检测到待测分析物的微小变化,在生物化学检测领域具有广阔的应用前景.     

太赫兹多波段的电磁诱导透明设计与分析

设计了一种超材料三维模型,由闭合方环和4个开口谐振方环通过正、反向双开口方环与闭合方环相互耦合来组成,在太赫兹范围内具有多波段电磁诱导透明(EIT)效应。该结构分别实现了在1.21、1.46、1.61、1.98 THz这四波段的电磁诱导透明现象,并且谐振强度均达到0.9左右。通过将结构单元进行拆分并相互对比分析,研究了该超材料结构产生多波段EIT效应的物理机理,并重点分析了开口大小、闭合方环尺寸对EIT强度与带宽的影响。通过对三维立体结构仿真分析可知,所设计的超材料不仅在多个波段获得了较高的折射率灵敏度,还具有高强度、多频点的慢光效应。因此,其在折射率传感与光缓存器件等领域,具有良好的应用前景。     

Broadband Terahertz Transmission Modulation Based on Hybrid Graphene-Metal Metamaterial

A novel patterned metamaterial, composed of graphene layer and metal periodic array of split ring resonators (SRRs) and cross-shaped resonators (CSRs), with broadband terahertz (THz) wave modulation was proposed and theoretically studied. It demonstrated that a broad passband high transmission of over 96.1% in the frequency range from 1.02 THz to 1.66 THz and two narrow band resonance frequencies f₁ and f₂ could be generated. The modulation depth of transmission was 29.2% when the graphene layer was covered on the metal metamaterial surface, and the modulation depth could be further increased by increasing the Fermi energy of graphene layer and reached approximately 79.5% at 1.0 eV in a broadband THz frequency range. The resonance frequencies of f₁ and f₂ were blue-shifted, and their modulation depths reached about 63.2% and 18%, respectively. These results show that the ultrathin graphene-metal metamaterial exhibits potential to achieve high-performance active THz devices and may offer widespread applications.     

基于石墨烯超材料的三频段可调谐完美吸收器

为进一步降低太赫兹频率下高性能调控器件的结构复杂度,提出一种三频段可调谐超材料完美吸收器. 该吸收器由图案化的石墨烯层和经Si介质层隔开的Au接地平面组成,利用太赫兹下的石墨烯表面等离子体共振以及图案化石墨烯与电场耦合提供的电偶极子共振形成多个吸收峰. 数值仿真结果表明,在0.489 THz、1.492 THz和2.437 THz处实现了对入射波的共振吸收,各峰值处的幅值均大于99.9%. 由于吸收峰处的幅值可以通过外部施加的偏置电压改变石墨烯的费米能级进行控制,因而所提出的吸收器结构的工作状态可在反射器和吸收器之间灵活切换. 同时,通过对吸收器单元结构的对称设计实现了对极化角度的不敏感特性,且在宽入射角范围内仍能保持良好的吸收性能. 因此,所设计的基于石墨烯的太赫兹超材料功能器件在调制和传感方面具有巨大的潜力.     

Modulating the Near Field Coupling through Resonator Displacement in Planar Terahertz Metamaterials

We present the effect of vertical displacements between the resonators inside the unit cell of planar coupled metamaterials on their near field coupling and hence on the terahertz (THz) wave modulation. The metamolecule design consists of two planar split- ring resonators (SRRs) in a unit cell which are coupled through their near fields. The numerically simulated transmission spectrum is found to have split resonances due to the resonance mode hybridization effect. With the increase in displacement between the near field coupled SRRs, this metamaterial system shows a transition from coupled to uncoupled state through merging of the split resonances to the single intrinsic resonance. We have used a semi-analytical model describing the effect of displacements between the resonators and determine that it can predict the numerically simulated results. The outcome could be useful in modulating the terahertz waves employing near field coupled metamaterials, hence, can be useful in the development of terahertz modulators and frequency tunable devices in future.