太赫兹波束可调谐的编码超表面设计

编码超表面可以通过编码序列设计对波束进行灵活调控,文中提出一种基于二氧化钒(VO₂)的可调谐太赫兹编码超表面. 设计中借助可调谐单元与不可调谐单元,通过VO₂由绝缘态到金属态的相变,在0.97 THz处实现了多种远场波束的动态切换. 此外,还设计了双频带太赫兹编码超表面,在0.97和1.97 THz两个不同频率下均可实现双波束. 这项工作为设计可调谐编码超表面、实现波束间灵活调控开辟了一条新的途径,将在通信和雷达领域具有广泛的应用前景.     

超快光场驱动的二氧化钒薄膜相变研究进展

二氧化钒(VO₂)是一种典型的强关联电子材料,当达到相变阈值时,会可逆地从绝缘单斜相转变到金属金红石相,这种相变主要通过温度、光照、电场、磁场、应力等激励条件激发。相突变可在亚皮秒时间尺度内发生,并会伴随着光学透过率、折射率和磁化率等特性的显著变化，其中相变前后电阻率会发生3～5个数量级的变化,这使得VO₂在智能节能窗、光电探测、光电存储、光开关等领域有着重要的应用前景。首先介绍了VO₂的相变机制,主要有电子关联驱动、晶格结构驱动以及两者共同驱动,接着重点介绍了利用超快时间分辨技术,尤其是太赫兹时域光谱技术,来研究VO₂薄膜的相变动力学过程,最后,介绍了基于VO₂薄膜的太赫兹调制器、太赫兹滤波器、太赫兹开关等领域的应用研究。     

基于二氧化钒-狄拉克半金属混合超材料的单/双波段可切换太赫兹吸波器

提出了一种基于二氧化钒-狄拉克半金属混合超材料的单/双波段可切换太赫兹吸波器设计。利用二氧化钒的可逆相变特性来实现单/双波段功能之间的切换,当二氧化钒处于绝缘态时,通过改变狄拉克半金属的费米能级能量,可实现吸收峰值大小和位置的调控。数值仿真表明：当二氧化钒处于绝缘态且狄拉克半金属的费米能级能量设定为160 meV时,吸波器可以在0.97 THz和3.152 THz处出现两个吸收峰,吸收率分别为99.3%和99.7%,均超过了99%,说明在这两个谐振频率点处实现了几乎完美的吸收。而当二氧化钒变为金属态且狄拉克半金属的费米能级能量为160 meV时,吸波器在4.246 THz处出现一个吸收峰,吸收峰值超过98%。实际上,由于狄拉克半金属的存在,吸收率会受到费米能级能量的影响,仿真结果发现：当VO₂处于绝缘态时,狄拉克半金属费米能级能量对吸收峰值和谐振频率点有较大的影响;然而,当VO₂处于金属态时,狄拉克半金属的费米能级能量几乎不会改变吸收峰值和谐振频率。为了验证吸波器的吸波机理,引入阻抗匹配理论对吸波器进行分析。所提出的可切换超材料吸波器可以广泛...     

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。     

太赫兹波段电磁超介质的应用及研究进展

太赫兹波和电磁超介质是电磁学领域关注的热点.太赫兹波与电磁超介质相互作用可以实现对太赫兹波的操纵和调控,有望填补"太赫兹空白".介绍了太赫兹波段电磁超介质的研究进展,包括电磁超介质电磁性能可调谐的实施途径,电磁超介质在太赫兹功能器件方面的应用(调制器/开关、传感器/探测器、滤波器、偏振元件和吸波器),太赫兹波段表面等离...     

利用石墨烯-金属复合结构实现太赫兹电磁诱导透明超表面主动调控

近年来,在超表面中实现对电磁诱导透明的主动式调控引起了越来越多的研究兴趣。采用石墨烯-金属复合结构,设计并研制了一种新颖的调制策略,通过同时施加光泵和偏置电压改变石墨烯的电导率,在太赫兹波段实现了一种主动式电磁诱导透明超表面,其在透射窗口频率处的振幅调制深度可达73%。模拟和理论分析表明,其内在物理机理在于石墨烯对金属谐振结构的短接作用,石墨烯的电导率越大,短接效果越明显,谐振强度也越弱。该石墨烯-金属复合超表面为设计紧凑的主动式太赫兹光开关器件提供了一种实现途径,在太赫兹通信中具有潜在的应用前景。     

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。     

基于二氧化钒超材料的太赫兹波相位动态调控

基于二氧化钒,提出了一种可以动态调控太赫兹波相位的复合超材料结构。仿真模拟结果表明：当二氧化钒由绝缘态相变为金属态时,结构可以在1.15～1.65 THz带宽范围内实现超过140°的相移。通过引入多极子散射功率的计算,结合谐振中心频率处的电场和表面电流分布,深入研究了相移产生的物理机制。所提出的结构具有应用于太赫兹无线通信、传感以及太赫兹安检成像等领域的潜力。     

基于几何相位超表面的高效独立双频点圆偏振太赫兹波束调控

为了克服超表面普遍具有的波长依赖性,提出了一种基于几何相位的多功能超薄超表面,在双频点处对透射圆偏振太赫兹波实现独立波前调控。该超表面单元由表层金属层和中间介质层组成,其中表层金属图案相同,均是由双C型开口环谐振器、中间金属圆环和长方形金属片谐振器构成。通过分别旋转表层金属谐振器,可以控制交叉偏振透射光具有相同的振幅和不同的相位。将单元结构按照特定的规律排列,可对入射波的波前实现任意调控,例如,在低频f₁=0.701 THz,分别实现了携带拓扑电荷数+1、+2、+3、+4的涡旋波束,其纯度均在60%以上;在高频f₂=1.663 THz,实现了对入射圆偏振波的汇聚,且焦距误差仅为0.04。仿真结果表明,设计的超表面在双频点处对电磁波具有良好的调控。     

基于编码超表面的双向太赫兹多波束调控器件

基于相变材料二氧化钒(VO2)和编码超表面技术设计了一种双向太赫兹多波束调控器件。在0.7 THz下,通过给予器件热激励控制VO2的相变状态,可使器件在反射和透射两种工作模式间切换。器件温度高于68 ℃(VO2相变温度)时,VO2相变为金属态,器件工作在反射模式下,对太赫兹波进行高效反射并将入射波分为多束能量近似、方向不同的波束。在常温下,VO2为绝缘态,器件工作在透射模式,对太赫兹波进行高效透射。对反射和透射两个方向波束的动态调控使器件本身不再成为透射或反射波传输的阻碍。这种对太赫兹多波束的动态双向调控在太赫兹无线通信场景中非常有用。     

从远场到近场：太赫兹超表面波前调控

太赫兹是电磁波研究中的前沿热点之一，在通信、雷达、生物化学检测等方面有巨大的应用前景。人工电磁材料，特别是超表面的出现和发展，为太赫兹的高效波前控制提供了新的思路和方法。从太赫兹电磁场空间分布的角度出发，阐述了目前超表面在太赫兹波段波前调控的相关工作和方法，对比和讨论了太赫兹远场和近场波前调控的多类应用场景和调控方法，对太赫兹超表面波前调控的发展前景进行了展望，为研究太赫兹波前调控提供了新思路。     

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。     

多功能动态波束调控的太赫兹编码超表面

太赫兹编码超表面对于在复杂信道环境中实现大容量高速通信具有巨大潜力,对发展6G无线通信技术具有重要研究价值.针对目前太赫兹频段的动态超表面调控器件普遍存在的问题,基于高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor,HEMT)电控调节编码单元与太赫兹波互作用引起的非对称谐振,在低开...     

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.     

金属开口谐振环结构的太赫兹波吸收特性

太赫兹调制器、滤波器、吸收器是太赫兹波应用领域的关键器件,而金属开口谐振环是这些器件的常用结构。通过仿真及实验的手段,系统地比较了不同亚波长金属开口谐振环结构的太赫兹波吸收特性。设计并制备两种不同形式的亚波长金属谐振环,利用时域有限差分（FDTD）的模拟方法与光泵浦太赫兹探测（OPTP）的实验方法,分析了电磁波入射谐振环时,TM与TE模式下的太赫兹透射特性。发现在TM模式下,吸收峰峰值均反比于谐振环的等效电容值与等效电感值。而在TE模式下,由于偶极子振荡长度相同导致了两种谐振环吸收峰峰值相近。此外,改变外部光激励条件时实验结果表明TM模式下,单开口环比双开口环对光激励更敏感:泵浦光功率为5 mW相比无泵浦光时,单开口环透射率增加了80%,而双开口环透射率仅增加了43%。     

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。     

光驱动宽频带可调谐太赫兹吸波器设计

设计了一种基于光敏材料硅(Si)的宽频带极化不敏感的光驱动可调谐太赫兹超材料吸波器(metamaterial ab-sorber,简称MMA).该可调谐太赫兹MMA基本单元结构由嵌入光敏硅的紧凑开缝环谐振器结构、中间介质隔离层与金属底板构成.硅的电导率随着入射光的强度而发生改变,从而使太赫兹MMA工作频率和吸波性能得到有效的调节.数值计算结果表明:当硅电导率在1. 0×10~3S/m到5. 0×10~5S/m范围内动态调节时,该MMA吸波特性在0. 442 THz到0. 852 THz范围内动态调节.另外,其相对调节带宽达到63. 37%,吸收率调制深度达到60. 22%.进一步的数值计算结果表明我们所设计的MMA具备极化不敏感和宽入射角的特性.     

太赫兹超材料和超表面器件的研发与应用

太赫兹光电子学的兴起推动了太赫兹波产生、传输和探测3方面理论和器件的快速发展。通过调控亚波长金属结构与太赫兹波相互作用的特异光学响应,太赫兹超材料和超表面器件已在太赫兹光束整形、导波和调制方面显示了巨大的潜力和优势,并可能推动太赫兹光源和探测器的发展。进一步发展和丰富太赫兹超材料和超表面器件,也将对太赫兹波在传感、通信和雷达等应用方面产生有益影响。本文综述了首都师范大学超材料与器件课题组近年来在太赫兹波段开展的基于超材料和超表面材料的光谱调制器件、光场调制衍射光学元件和主动光学元件的工作,介绍了超材料与器件的基本物理理论以及相应的实验研究成果,希望能够推动超材料与超表面太赫兹调制器件的发展与应用。     

基于狄拉克半金属和二氧化钒的三频带双调谐吸波体

提出了基于狄拉克半金属(BDS)和二氧化钒(VO₂)的三频带(triple-band)双调谐吸波体,通过时域有限差分法和等效电路模型(ECM)分析了吸波体的电磁特性。研究表明：当VO₂呈现出纯金属态时,吸波体会出现三个明显的吸收峰,平均吸收率为98.64%。同时,通过改变BDS费米能量和VO₂电导率可以动态调谐吸波体吸收峰处的谐振频率和吸收率。最后,分别讨论了吸波体吸波特性随BDS层、VO₂层和中间介质层厚度的变化规律。这为多带双调谐滤波器、吸波体的设计提供了理论依据。     

机器学习辅助太赫兹涡旋波超表面快速设计方法

太赫兹涡旋波产生与调控被认为是6G通信、雷达探测、新型传感器的关键技术之一。利用人工超表面产生涡旋波,相较于传统方法具有平面化、集成化、低成本的特点,但是面临复杂的参数设计和分析,需要耗费大量的时间和算力。为此,提出一种机器学习辅助太赫兹涡旋波超表面快速设计方法,通过长短期记忆(Long Short-Term Memory, LSTM)神经网络法快速得到满足相位需求的超单元并进行一体化组阵。利用该方法,设计构筑了三块模数l分别为1、2、3的太赫兹涡旋波超表面,仿真结果表明,设计的太赫兹涡旋波束模式纯度达到80%以上。机器学习辅助太赫兹涡旋波超表面设计方法具备精度高、快速、一体化设计等优点,有望运用于太赫兹幅度、相位、极化、轨道角动量等复杂波束调控领域。