基于人工超表面/离子凝胶/石墨烯复合结构的太赫兹调幅器件

设计并制备了基于人工超表面/离子凝胶/石墨烯复合结构的太赫兹调幅器件,并对其调制效果进行了模拟仿真和实验验证。该器件以嵌在石墨烯和超表面之间的离子凝胶为电解质,以石墨烯为主动材料,用超表面实现太赫兹波与石墨烯相互作用的增强。通过外加偏压调节石墨烯的电导率,进而达到对太赫兹波的主动控制。结果表明:该器件在较小的外加偏压下就可以在谐振频率处实现73%的调制深度,并且在调制过程中谐振频率几乎保持不变。该器件为小电压下的大幅度太赫兹调制提供了一种新手段。     

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。     

光调制超材料及其传感应用

研究了一种太赫兹光调制超材料传感器。该器件由金属-半导体复合结构（开口谐振环（SRR））和柔性聚酰亚胺衬底组成。光敏硅材料填充在器件上方的两个开口处。模拟结果表明,通过改变外激励泵浦光的功率,光敏硅的电导率发生改变,从而实现对复合超材料结构谐振峰的调制。进一步分析该结构在谐振频率下的电场和表面电流密度分布情况,讨论了其物理机制。此外,随着待测溶液（氯化钙）浓度变化,传感器谐振峰发生红移,其灵敏度为11.4 GHz/M。该器件可作为太赫兹波段液体传感器使用。     

光调制超材料及其传感应用（英文）

研究了一种太赫兹光调制超材料传感器。该器件由金属-半导体复合结构(开口谐振环(SRR))和柔性聚酰亚胺衬底组成。光敏硅材料填充在器件上方的两个开口处。模拟结果表明,通过改变外激励泵浦光的功率,光敏硅的电导率发生改变,从而实现对复合超材料结构谐振峰的调制。进一步分析该结构在谐振频率下的电场和表面电流密度分布情况,讨论了其物理机制。此外,随着待测溶液(氯化钙)浓度变化,传感器谐振峰发生红移,其灵敏度为11.4 GHz/M。该器件可作为太赫兹波段液体传感器使用。     

基于石墨烯狄拉克点调控和电磁诱导透明的超灵敏太赫兹生物传感器

提出一种由石墨烯和金属铝构成的复合结构的太赫兹超表面生物传感器。超表面由金属铝结构形成类电磁诱导透明谐振，并在铝结构表面通过湿法转移一层石墨烯。通过对石墨烯掺杂蚕丝蛋白来改变石墨烯费米能级，从而改变传感器透射光谱的振幅。实验结果表明，该传感器的检测极限可以达到0.35 ng/mL。利用石墨烯狄拉克点的电磁波调控特性和耦合模型对传感器的工作原理进行分析。在生物医学领域，该生物传感器为微量蛋白的高灵敏检测提供了一种方法。     

动态可调的太赫兹超构表面

近年来,采用人工设计金属阵列的超构表面以实现对太赫兹波的调制受到越来越广泛的关注。设计了2种互补的亚波长金结构阵列超构表面,正、反结构2个超构表面对太赫兹波均有共振响应。利用光泵浦太赫兹时域透射光谱系统,通过控制泵浦光实现对太赫兹波的谱调制。仅需28 mW的外加泵浦光,反结构超构表面在0.91 THz处的振幅调制深度可达到95%。利用该反结构超构表面对太赫兹波的开关作用,进一步设计了太赫兹振幅全息图,希望利用该结构实现太赫兹波前的动态调控。初步的理论模拟验证了这一方法的可行性,可较好地实现对太赫兹波的动态调控。     

基于太赫兹人工超材料的带阻滤波器

鉴于太赫兹辐射的特殊性,其难以与自然界中多数材料发生电磁相互作用,导致太赫兹功能器件匮乏。人工超材料通过人工设计结构单元的周期排列组合,可实现太赫兹波段电磁响应的调控。本文设计一种由二氧化硅衬底上的单层金属方形谐振环结构构成的太赫兹带阻人工超材料,具有窄带宽、深带阻特性、偏振不敏感特性,通过近场电场和表面电流分析,带阻共振特性源于谐振环结构的电偶极共振。该设计结构简单,易于制备,在太赫兹调制器件、太赫兹通信、光电探测等领域具有应用价值。     

基于硅基等离子超表面的可调太赫兹调制器

由于硅对太赫兹的调制效果较差,所以从理论上和实验上研究了基于硅基等离子诱导透明(PIT)超表面的太赫兹调制器。研究结果发现在透射光谱中可以观察到明显的透明窗口,该透明窗口是由2个谐振器之间的近场耦合引起的。实验结果表明,随着泵浦光功率的增加,透明窗口出现了蓝移。当光泵功率从0 m W增加到700 m W时,0.70 THz处的振幅调制深度可以达到80.75%,同时研究了它的慢光效应。设计的这种新型的超表面结构增强了硅的调制效果,提供了一种实际应用的可能。     

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。     

复合鱼鳞型超构材料中光控Fano谐振的设计

为解决传统超构材料存在的结构一旦形成,其谐振特性便无法进行动态可调的问题,本文将鱼鳞型超构材料与光电导材料硅相结合,实现了太赫兹波段Fano电磁响应的动态调控。该复合超构材料由鱼鳞型金属线、硅层以及聚酰亚胺组成。在鱼鳞型结构的金属弧线无、有缝隙两种情况下,研究了电磁波的入射角度和硅的电导率对Fano谐振的影响。当硅的电导率达到1×10³ S/m时,多频点电磁响应的调制深度都接近1。结果表明,调节缝隙宽度可以成为Fano谐振工作频率调控的有效方式。本文为实现超构材料中Fano谐振的可调谐特性提供了一种可行途径,对实际应用中太赫兹波的主动调控、传感等方面具有重要意义。     

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。     

Electromagnetically induced transparency in terahertz metamaterial based on two-bright-mode resonator

An electromagnetically induced transparency (EIT) in metamaterial resonator with two bright modes and one dark mode at the terahertz (THz) band is numerically and experimentally demonstrated. Different from two kinds of the traditional passive modulations, our design can realize the passive modulation of EIT phenomenon by adding another bright mode resonator. Simulated and experimental results show that the transmission peak varies for incident THz waves with different polarization directions due to its asymmetric structure, which provides a novel way to realize high efficiency switch and modulation.     

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可调谐电磁诱导透明

提出了一种基于石墨烯超材料的可调谐电磁诱导 透明(EIT)结构,该结构是由长条-半圆环形状的石墨烯层和 介质基底组成。通过频域有限差分法研究了该结构的特性,研究结果表明,由于石墨烯条和 石墨烯半圆环之间发生相互 作用,产生较弱的杂化,从而可以观察到EIT透明窗口。更重要的是,通过控制门电压,改 变石墨烯的费米能级,可以 在较宽的频率范围内实现透明窗口的动态调谐。通过调节石墨烯的费米能级,在透射峰附近 群延迟接近0.4ps。同时还研 究了石墨烯条和半圆环间的距离、圆环的半径、方位角等几何参数对EIT效应的影响,这些 因素的改变对EIT 效应产生 了不同的影响。本文设计的超材料结构可应用于调制器和慢光器件等,对光开关、光存储等 新型器件的设计有重要的指导意义。     

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。     

应用于毫米波段的宽带波束调控超表面设计

毫米波段因其较高的数据传输速率和较大的容量而备受关注。为满足现代通信系统对宽带、波束偏转和高辐射效率等天线需求，本文提出了一种工作在88.5～94.6 GHz频带范围内的石墨烯-金属复合结构超表面。该超表面通过调节石墨烯的费米能级，对超表面单元的反射相位进行实时调控编码。调整金属层结构尺寸，可以调制不同编码状态下超表面单元的相位、幅度响应以及编码频段范围。经优化设计，在石墨烯费米能级分别为0 eV和1 eV时，编码超表面单元在88.5～94.6 GHz的宽频带内具有180°±20°的反射相位差，并且反射幅度均大于0.7。利用该单元设计了7×7的超表面，通过合理排布编码单元，可对毫米波段波束进行偏转和多波束切换等动态调控。实验结果显示，单波束最大偏转角度可达105°(-55°～50°),且可实现1～5个波束的切换。该超表面为多功能天线设计提供了新的解决方案，在高速无线局域网、车载雷达、卫星通信等领域具有潜在的应用价值，对毫米波段通信技术的发展具有重要意义。     

基于HIE-FDTD方法的太赫兹频段石墨烯吸收器的设计

应用混合显隐式时域有限差分(hybrid implicit-explicit finite-difference time-domain, HIE-FDTD)方法对石墨烯吸收器进行数值模拟. 通过辅助差分方程（auxiliary difference equation, ADE）将石墨烯带内电导率引入到HIE-FDTD方法中并结合共形技术对设计的新型石墨烯吸收器完成了特性分析. 数值结果表明:该吸收器在2.68 THz附近吸收率可达到99.8%,而且在太赫兹频段下可以通过控制石墨烯的化学势和圆环宽度调整该吸收器的工作频率. 本文设计的环状结构吸收器结构简单,在检测器、传感器、滤波器等太赫兹器件方面具有潜在的应用.