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。     

应用于THz波的非对称双开口环传输特性研究

设计并制备了一种适用于太赫兹波段的非对称双开口环结构,数值仿真和实验测量了其传输性质.结果表明,垂直极化时样品在低频的0.540 THz和0.925 THz处存在谐振点,来源于左右两开口环的LC谐振,电流和电场分布主要集中在两开口环的开口处;而在高频处(1.885THz)谐振点的表面电流具有相反的两个环流方向,电流和电场分布于整个样品表面,此处的谐振来源于两开口环耦合后的偶极子谐振.当太赫兹波平行极化该样品时,原来两个低频的LC谐振消失.实验测量结果与数值仿真具有很好的一致性.此结构超材料的传输特性研究对太赫兹波调制器、滤波器、吸收器及偏振器等器件设计和制备具有一定的指导意义.     

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。     

基于亚波长金属孔阵列的光控太赫兹强度调制器

太赫兹波强度调制器对太赫兹技术的发展至关重要。亚波长金属孔阵列可以激发表面等离子激元,增加入射电磁波的透射效率,极大地提高调制器的调制深度。提出了一种基于表面等离子激元的光控太赫兹波强度调制器。首先给出了器件所依赖的基本原理;其次利用传统的微纳加工技术在半绝缘砷化镓衬底上制作出二维亚波长金属孔阵列;最后搭建了太赫兹时域光谱系统,测试了器件样品对太赫兹波的透过率。结果表明:亚波长金属孔阵列可以引起透射率的异常增强,且透射率随着泵浦光强的增大而减小,在特定频率点实现了较高的调制深度。此研究为实现高调制深度的太赫兹波强度调制器提供了参考。     

基于太赫兹亚波长超材料的偏振不敏感调制器的理论研究

对太赫兹波超材料调制器的偏振响应进行了研究.提出并计算仿真了两种特殊结构的调制器,包括中心十字结构和双开口环结构.传统的开口环结构的调制器是偏振敏感的,而所研究的两种结构都是偏振不敏感的.中心十字结构是一个完全对称的金属结构,并具有完美的偏振不敏感特性.对于双开口环结构,它没有达到完全的偏振不敏感,但从太赫兹偏振透射率曲线来看,这种差别可以忽略不计.此外还模拟了双开口环的表面电流分布,并提出了产生两个谐振吸收波谷的主要机制.     

太赫兹波前调控器件

正太赫兹波在电磁波谱中介于红外和微波之间。由于其具有许多潜在的应用,得到了人们广泛的重视、人们研发了许多用于太赫兹波谱裁剪和强度调制的器件、但是,却缺少太赫兹波前调制器件。介绍两种新的波前调制方法。第一种方法利用亚波长金属天线实现太赫兹的相位调制。选择八种亚波长天线,他们对太赫兹的振幅调制相通,但相位调制不同。根据不同的波前调制要求可以合理安排天线的分布。设计、制作并表征了透镜、衍射光学元件以及计算相息图、第二种方法是利用空间光调制器将泵浦光打在硅基底上。光生载流子的分布形成了太赫兹振幅全息图,通过光的一级衍射就可以实现预定的振幅相位分布。太赫兹全息图的变化可以达到每秒60帧,实现真正的动态调制。实验结果验证了方法的可行性。     

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。     

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。     

太赫兹波超材料吸波体的特性分析

超材料吸波体通常是由一些在介质基底表面上周期分布的亚波长开口环谐振器（SRRs）组成,它们的吸收率在很大程度上取决于顶层SRRs的结构细节及介质的材料性质。利用时域有限积分法（FITD）对太赫兹波的超材料吸波体进行传输特性研究,分析了PI介质厚度、单元尺寸、开口环谐振器宽度、顶层silicon的电导率和PI介质的介电常数对太赫兹波超材料吸波体吸收峰位置和吸收率大小的影响。此超材料吸波体的特性研究对太赫兹波调制器、滤波器、吸收器及偏振器等器件设计和制备具有一定的指导意义。     

基于谐振环的太赫兹吸波体等效电路研究

以常规开口环谐振器(Split ring resonator,SRR)结构的"超材料"太赫兹吸波体为例,首先用CST Microwave Studio软件对吸波体的吸波特性进行仿真。然后,根据横电(TE)模和横磁(TM)模入射时表面电流分布情况,分别建立了超材料太赫兹吸波体对两种入射模式的等效电路模型。最后,从理论上对等效电路模型进行了验证,并利用等效电路模型研究了吸波体结构参数对其吸收峰位置的影响规律。提出的等效电路模型对于"超材料"太赫兹吸波体的结构设计与性能分析具有十分重要的指导和参考价值。     

连续激光泵浦重水气体分子产生THz激光辐射的阈值分析

利用连续运转二氧化碳激光器的9R(22) 输出谱线泵浦重水气体(D2O)分子可以产生波长为385微米,频率为0.78THz的连续激光辐射输出,采用半经典理论分析方法并结合三能级系统模型可以对此激光过程进行有效的分析,通过合理的近似简化了求解过程,得到了光场中太赫兹激光信号增益系数Gs和泵浦光信号吸收系数Gp的解析表达式,通过对求解结果的分析,计算出产生THz激光振荡的泵浦阈值条件为6.24×10-3W/mm2,一般情况下,在泵浦激光输出光斑面积为0.25mm2时,要求泵浦激光谱线的输出功率达到1.6mW以上才能形成THz激光辐射。     

A Compact Thin-Film Sensor Based on Nested Split-Ring-Resonator (SRR) Metamaterials for Microwave Applications

In this paper, we propose a novel metamaterial-based microwave thin-film sensor that incorporates multiple split ring resonators in a compact nested structure. The special feature of the proposed sensor is that the nested SRR structure has more split gaps than the classical SRR structure. The sensing performances are numerically investigated using a three-dimensional full-wave electromagnetic solver based on the finite integral method. The simulated results show that comparing with the traditional SRR structure, the nested SRR structure has low operating frequency (corresponding to a miniaturization by 22.6% in size), low nonlinearity error, and high sensitivity. At the same time, these results demonstrate that our metamaterial design may be well suited for biosensing. Moreover, the proposed structures provide more design flexibility. It can be extended to the terahertz frequency range, which will open a new route for metamaterial application toward sensing of chemical and biomedical molecules with different mass concentrations as well as detecting chemical reaction.     

Terahertz Transmission Properties of Split Ring Resonator Arrays

The transmission properties of double-ring split ring resonator(SRR) arrays and closed ring resonator arrays are measured using terahertz(THz) time-domain spectroscopy. This technique allows for the simultaneous measurement of the amplitude and phase of the transmission coefficient as a function of frequency. The ability to directly measure the phase spectrum is expected to be important in characterizing potential negative index media. In the employed experimental geometry, THz pulses are normally incident ...     

大功率太赫兹回旋管的腔体分析与模拟

以0.3 THz回旋管为研究对象,对 TE06模回旋管腔体进行理论分析和起振电流的计算,以避免模式竞争的出现。对选取的电参数进行粒子模拟仿真,在10 kV和300 mA条件下得到 TE06模输出、平均输出功率为152 W及输出频率为299.5 GHz的模拟结果,并对不同磁场和不同电流情况下输出功率进行了分析,为太赫兹回旋管的研制提供参考。     

Semiconductor optical amplifier gain anisotropy: confinement factor against material gain

It is shown that different TE/TM mode confinement factors in a bulk semiconductor optical amplifier could not be the main reason for the gain anisotropy. Instead, the intrinsic material gain difference for TE/TM polarised light can well account for this anisotropy and its dependence on pump current.     

基于石墨烯的光控太赫兹调制器

研究了锗基单层石墨烯结构宽带光控太赫兹调制器。利用实验室搭建的太赫兹时域光谱系统,实验证明了在1 550 nm飞秒光泵浦下,该太赫兹调制器工作带宽为0.2~1.5 THz。当泵浦光功率从0增加到250 mW时,该太赫兹波调制器的平均透过率从40%下降到22%,平均吸收系数从19 cm-1增加到44 cm-1,在0.2~0.7 THz,调制深度均高于50%,最大调制深度为62%（0.38 THz）。实验结果表明,相比于纯锗基太赫兹调制器,单层石墨烯的引入能增强对太赫兹波的调制效果。     

Large nonlinear optical effect in an InGaAs/InAlAs multiquantum well waveguide

All-optical refractive nonlinearity in a passive InGaAs/InAlAs multiquantum well waveguide is evaluated for TE and TM modes at 1.55 mu m wavelength and room temperature. A quarter wavelength change in the optical path length is observed at an input pump light power of 6.5 mW for 1.47 mu m wavelength in a 960 mu m long device. Nonlinear refractive index n/sub 2/ is evaluated to be -1.2*10/sup 6/ and -0.5*10-6cm/sup 2//W for the TE and the TM modes, respectively.<>     

太赫兹波在二维正三角晶格金属光子晶体中的传输特性

运用频域有限元法研究了一种二维正三角晶格金属光子晶体在太赫兹波段的传输特性。该模型选取空气为背景材料,金属铜为介质柱。通过改变太赫兹波的入射方向、晶格常数和介质柱填充率,对TM模和TE模的传输特性进行了系统完整的分析,获得了太赫兹波在正三角晶格金属光子晶体中的传输规律。结果表明,传输特性随着介质柱填充率、晶格常数及太赫兹波入射方向的变化而变化,且TE模和TM模带隙差异很大,这为太赫兹波段的光子晶体滤波器、反射器和极化器的开发与制作提供了参考依据。     

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％.