基于太赫兹等离激元的半导体表面生化薄膜光谱检测

我们提出了一种利用太赫兹表面等离激元对放置在半导体表面的生化薄膜进行光谱测量的新方法。我们从理论上证明了半导体材料对其上传输的太赫兹表面等离子体波具有较强的表面束缚性,从而提高太赫兹波与半导体表面的生化薄膜之间的相互作用。通过采用太赫兹时域光谱测量系统,我们从实验上分别得到了洋葱表皮的太赫兹表面等离子体波和自由空间太赫兹波透射波谱。实验结果表明,当测量对象是厚度仅为自由空间太赫兹波波长的约百分之一的单层洋葱表皮时,表面等离子体波的透射波谱与自由空间太赫兹波透射波谱相比具有更加多的特征吸收峰。     

基于半导体等离子体频率光学调控的太赫兹波调制系统

介绍了一种太赫兹波光学调制系统,该系统首先通过刀片与半导体之间的狭缝实现太赫兹波和太赫兹表面等离子体波之间的耦合,然后通过改变照射到本征半导体表面的光强用以调控半导体表面的等离子体频率,使得半导体表面的等离子体频率在有光照和无光照条件下分别大于和小于其上传输的太赫兹表面等离子体波的频率,从而实现对在半导体表面传输的太赫兹表面等离子体波以及由其耦合出的太赫兹波的强度调控。该调制方法与传统方法相比具有调控频带宽、速度快、成本低、常温工作等优点,可用于太赫兹波通讯。仿真和实验结果进一步验证了该调制系统应用的可行性。     

金属亚波长狭缝阵列结构的太赫兹偏振透射特性研究

利用太赫兹时域光谱技术,研究了金属亚波长狭缝阵列结构的太赫兹透射特性。结果表明,太赫兹波会激发金属狭缝阵列结构的表面等离体波共振,表面等离子体共振产生太赫兹波段超强透射现象。由于表面等离子体共振效应,这种狭缝结构对于透射的太赫兹产生很高偏振度,这些实验结果为制作太赫兹波段偏振器件提供了有益的参考。     

激波管等离子体中太赫兹波传输特性仿真与实验研究

研究了太赫兹波在透射波窗口封闭的激波管中的等离子体中的传输特性,获得了传输衰减量随等离子体电子密度、碰撞频率、透波窗口材料以及电磁波频率的变化规律,并比较了相同条件下毫米波的传输特性.利用激波管为实验平台模拟产生高速飞行器等离子体,开展了太赫兹波在等离子体中传输特性实验.结果表明,太赫兹波在相同电子密度和碰撞频率的等离子体中衰减量比毫米波小得多;随着等离子体碰撞频率的增加,太赫兹波传输衰减量先增加后减小,透波窗口增加了太赫兹波的传输衰减;随着窗口材料的介电常数增加,太赫兹波反射率增加,太赫兹波传输衰减曲线出现周期性振荡,振荡周期约5 GHz;太赫兹波通信可能作为一种解决再入飞行器黑障问题的有效技术途径.     

双层金属环形阵列的太赫兹表面等离子体研究

研究了太赫兹波垂直通过具有周期性亚波长环形空气槽阵列的金属-介质-金属三层结构的透射谱特性,以及与表面等离子体谐振的关系。共振模式电场分布与色散曲线分别表明:表面等离子体具有束缚性,表面电磁波的传输机制与能量流动过程,透射谱的两个共振峰与传播性的表面等离子体模式、局域化的表面等离子体模式及其耦合有关。改变结构的几何参数,其共振峰变化趋势进一步印证了以上观点,并且空气环中激发的准波导效应也影响了太赫兹波的传输。     

等离子体鞘套中太赫兹波传输特性研究

采用散射矩阵方法(SMM)研究太赫兹波在非磁化、非均匀等离子体鞘套中的传输特性。在假定等离子体电子密度分布为双指数分布条件下,对太赫兹波斜入射等离子体时的功率反射系数、透射系数及吸收系数进行了仿真,还对其随太赫兹波的入射角度、太赫兹波的频率、等离子体的碰撞频率、等离子体分布形态的变化规律进行了总结。研究结果表明,在上述条件下,太赫兹波在等离子体中均有较好的传输特性。总体上来说,随着太赫兹波频率的提高,太赫兹波在等离子体中的透射性更好,可以考虑提升载频至太赫兹波段来解决通信黑障问题。     

基于光谱编码的太赫兹光谱测量新方法

为了提升太赫兹光谱分析的瞬时性和系统集成度，提出一种超表面光谱编码与计算重建相结合的太赫兹光谱测量方法。利用多种超表面结构的光谱编码器件对入射太赫兹波进行高随机光谱编码，并提出基于字典学习的稀疏恢复算法以实现光谱重建。理论计算和数值仿真表明，在4%噪声水平下，所提方法对乳糖透射光谱的重建误差小于3%，可为片上集成化太赫兹光谱仪的发展提供新途径。     

基于VO2相变的光控太赫兹调制器

基于VO2薄膜相变特性,通过在石英基底上制备VO2薄膜和亚波长金孔阵列,并在理论和实验上研究了金属孔阵列与VO2薄膜置于基底同侧和异侧的两种太赫兹(THz)调制器。系统研究了在光泵浦条件下两种样品的THz波的传输特性。结果表明,随着泵浦光功率的改变,两种结构的器件均可以实现对THz波强度的调制。对比分析两种结构器件的THz透射谱发现,紧邻金属孔阵列的金属相VO2能够有效地抑制THz表面等离子体的局域透射增强效应,使调制器的调制深度得到显著增强,这对基于相变材料调制器的设计具有重要意义。     

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。     

表面修饰的亚波长金属Cu狭缝结构透射特性研究

为了深入研究表面修饰余弦凹槽的亚波长结构对太赫兹波透射特性的调控规律,提出一种表面修饰余弦凹槽的太赫兹亚波长金属Cu狭缝结构,基于时域有限差分法,对亚波长金属Cu狭缝结构的太赫兹波透射光谱特性进行模拟。仿真结果表明,通过改变金属Cu狭缝结构上下表面余弦凹槽的结构排布、数量、周期、深度及狭缝深度、宽度等参量,实现了对太赫兹波透射强度的调控。     

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。     

飞秒激光的等离子体吸收太赫兹特性研究

在利用飞秒激光器产生太赫兹波的过程中,等离子体本身会对太赫兹波能量进行吸收,其吸收特性在太赫兹波雷达探测、等离子体隐身、电磁干扰研究等方面有着广泛的应用前景。结合理论分析设计了一种等离子体吸收太赫兹波的测量系统,提出等离子体粒子间相互碰撞吸收是导致等离子体吸收太赫兹波的主要原因,并在实验测量研究中发现等离子体密度大小、光学透镜焦距长短以及入射飞秒激光与倍频晶体晶轴角度是影响吸收程度的主要因素,这些研究为等离子体吸收应用提供了更加全面的理论支撑,有助于推动太赫兹波技术在军事及民用领域的快速发展。     

基于超材料的连续太赫兹波透射特性研究

以基于超材料的太赫兹波透射为目的,设计并制作了四种亚波长开环共振（SRR）超材料。采用连续太赫兹波作为入射激光源,实验测量了它们在1.04 ~4.25 THz波段的功率透射属性,并采用CST Studio进行仿真,结果显示这些超材料存在一个位于2.52 THz的全局透射峰和多个局部透射峰。全局透射峰与SRR阵列的微结构和图形配置等参数有关。为了寻找一个具有较高透射效率的太赫兹感应阵列,比较了四种不同超材料微结构的归一化功率透射性能和感应差别。从这些差别中找到特定图案配置的超材料器件用于太赫兹波感应具有借鉴意义。     

飞秒等离子体间非线性作用对超高频电磁波影响的研究

主要研究了飞秒等离子间相互的非线性作用对超高频电磁波——太赫兹波产生的影响。国内外许多研究机构已经证实,在太赫兹波产生的过程中,等离子体间的相互非线性作用会对太赫兹波产生影响。笔者结合理论分析设计并搭建一种了双束等离子体重合产生太赫兹波的测试系统,研究发现等离子体间相互非线性作用时,会产生三阶非线性光学效应,等离子体的折射率和相位发生变化形成非均匀场导致了太赫兹波辐射能量的降低,并在实验测量研究中发现随着等离子体波长双束等离子波长的增加,等离子体密度增加,导致太赫兹波的辐射能量的降低现象更加明显,另外,等离子体功率越大,太赫兹波吸收越大。同时,研究发现等离子体周围惰性气体分子质量影响太赫兹降低程度,气体分子质量决定着飞秒激光聚焦空气电离出的等离子体所形成的电场强度,分子质量越高,所形成的电场强度越强,双束等离子体重合时对太赫兹波降低的辐值越大。这些为研究等离子体间非线性作用对太赫兹波的影响提供了更加全面的理论支撑,有助于推动太赫兹波技术在军事及民用领域的快速发展。     

金属线栅结构中太赫兹波偏振特性的研究

利用飞秒微加工和磁控溅射技术,在熔融石英衬底上设计并制作了不同结构的金属线栅,通过太赫兹时域光谱系统研究了线栅结构对太赫兹波偏振透射特性的影响,并用有限时域差分法对实验结果进行了模拟验证.分析了影响S和P两个偏振方向太赫兹波透射的物理机制.为制作太赫兹波段偏振器件提供了有益的参考.     

高效锥形太赫兹耦合器（英文）

设计了将太赫兹波耦合进入波导的耦合器.耦合器由金属材料铝制成,形状为中空圆锥形和圆柱形的结合.在宽带的脉冲太赫兹信号和单频的连续太赫兹信号两种情况下,模拟并实验测试了耦合器将自由空间传输的平行太赫兹波耦合进入反谐振波导,结果显示该耦合器是宽带太赫兹波耦合器.通过优化耦合器几何参数,在太赫兹时域系统下得到振幅耦合率达到71%,振幅增强因子为6.125.     

（英）高效锥形太赫兹耦合器

设计了将太赫兹波耦合进入波导的耦合器.耦合器由金属材料铝制成,形状为中空圆锥形和圆柱形的结合.在宽带的脉冲太赫兹信号和单频的连续太赫兹信号两种情况下,模拟并实验测试了耦合器将自由空间传输的平行太赫兹波耦合进入反谐振波导,结果显示该耦合器是宽带太赫兹波耦合器.通过优化耦合器几何参数,在太赫兹时域系统下得到振幅耦合率达到71%,振幅增强因子为6.125.     

微纳复合结构增强硅基太赫兹调制器性能

研究了由微米金字塔阵列和纳米级氧化铝(Al2O3)薄膜构成的微纳复合结构对硅基光控太赫兹调制器调制性能的增强效应和机制。实验表明,相对于半导体硅片,硅表面的微米金字塔阵列能够显著减少激光反射率,提高对激光的利用率,且能增加太赫兹波的调控面积。更重要的是,金字塔阵列上沉积的纳米级厚度Al2O3薄膜还能进一步降低激光反射率,并能明显提升太赫兹波的调制效果,在95.5 mW/mm2的激光功率密度下,其调制深度可达91.2%。该光控太赫兹调制器在低激光功率下拥有高调制深度,在太赫兹成像和通信领域都有巨大的应用潜力。     

不同频率的太赫兹时域光谱透射成像对比度研究

主要探讨自然界树叶样本的太赫兹透射成像中的对比度与透射频率的关系。运用透射模式的太赫兹时域光谱系统对样本进行了聚焦逐点式的主动扫描,得到样本各部分的太赫兹波透射率,然后进行数据处理和二维成像。通过对样本在8个不同频率下的太赫兹透射率成像的比对分析,表明样本的不同部分对各个频率的太赫兹波的吸收都有较明显的差别。为了得到更清晰的太赫兹成像,必须选取合适的成像频率使样本成像的对比度更佳,实验发现应该选择透射振幅适中的频段,且在此范围内样品的某些部分具有吸收峰的频率附近进行成像。     

太赫兹波前调制超表面器件研究进展

超表面是一种由人工微结构组成的超薄平面器件,能够实现对电磁波振幅、相位以及偏振态的调控,具有体积小、重量轻、集成度高、可灵活操控电磁波等优势,在电磁波谱、波前调制中发挥着巨大的作用。综述了近年来基于超表面的太赫兹波前调制器件的研究进展。总结了基于Pancharatnam-Berry相位、基于局域表面等离子体共振(LSPR)、基于Mie共振的三种超表面单元结构对电磁波的振幅、相位调控机理,并讨论了实现高效率超表面的方法。之后,介绍了用于设计波前调制超表面器件的纯相位调制方法和复振幅调制方法。综述了在太赫兹波段典型的超表面波前调制器,包括单一功能、复合功能以及可调谐功能的超表面波前调制器件。在早期的研究工作中,设计的超表面可实现波束偏转、波束聚焦、全息成像、以及涡旋光束、自聚焦光束、洛伦兹光束等特殊光束产生等功能。为提高太赫兹器件的利用率,波分复用、偏振复用等功能复用的太赫兹超表面器件被提出。随着对太赫兹波前动态调控需求的增长, 一些主动的太赫兹超表面器件被提出并在实验上被验证。共有两种主动的超表面器件。其中一种主动超表面是通过将超表面结构与半导体材料或相变材料结合形成的,另一种是通过光泵浦硅片形成的全光器件。全光超表面在不用重新加工的前提下能够被重复使用。通过调整投影在硅片上的超表面图像即可动态操控太赫兹波前。全光超表面具有动态控制波束扫描和波束聚焦的能力,将来可应用于太赫兹通信、太赫兹雷达等领域。最后,对太赫兹波前调制超表面器件的发展趋势与应用前景进行了展望。