太赫兹可调谐滤波器设计

为了实现太赫兹信号的可调谐滤波，设计了一种基于柔性材料的太赫兹可调谐滤波器。通过扭曲特氟龙（Teflon）波导形成环型谐振器，实现了160～200 GHz频段的带阻滤波功能。改变谐振腔长可实现自由频谱范围（FSR）和滤波频点的调谐，实验测试了自由频谱范围在1.9 GHz和2.8 GHz间切换以及相应的滤波特性。研究表明，谐振腔长一定时，改变弯曲半径可实现滤波阻带抑制度的调节，柔性材料太赫兹环型谐振器可用于可调谐滤波，且具有较高的自由度。     

太赫兹金属弹簧波导的研究

为深入了解金属弹簧波导对太赫兹波的传输效果,对不同螺线间距金属弹簧的太赫兹波传输特性进行了实验研究。实验结果表明,对于线径0.8 mm、外直径12 mm、长14 cm的金属弹簧,在3.5/4.4 mm等较大的螺距下,弹簧波导反而能在较大的带宽下传导太赫兹波,并具有良好的偏振保持能力。3.5/4.4 mm螺距弹簧的太赫兹传输带宽均约为0.9 THz,且在其峰值频率处的传输损耗分别约为0.2 cm-1和0.27 cm-1。此外,金属弹簧能将太赫兹模式束缚在空气芯内传输,而非通过金属螺线导引传输。该研究结果对金属弹簧波导在太赫兹技术中的应用具有一定参考意义。     

一种基于FSS的太赫兹滤波器特性分析

基于太赫兹频段,为研究太赫兹滤波器的滤波特性,提出了一种基于频率选择表面(FSS)的反射型偏振太赫兹滤波器。通过分析不同旋转角度的滤波器透过性,得出该结构的滤波器具有中心反射率高,谐振频率拓展范围大等优点。优化计算结果表明,当FSS结构设计成不同的旋转角度时,可将中心频率控制在0.58～0.72 THz(动态可调范围约为24%),具有较强的频率拓展实用性,并且在0.58 THz处获得超过96%的最高反射率。     

基于半导体的可调谐太赫兹滤波器研究

太赫兹滤波器在通信、传感、成像等领域有着广泛的应用。提出了一个基于半导体材料砷化镓的周期性微结构可调谐太赫兹滤波器,并对半导体材料的电介质特性以及微结构的太赫兹滤波特性进行模拟研究。提出了基于光栅结构的太赫兹滤波器,用CST软件时域有限差分法(FDTD)进行模拟仿真,0.1~5.0THz频段的太赫兹波垂直入射光栅表面,在225~325K范围内可获得工作频率为0.35~1.51 THz,1.16 THz的滤波带宽,同时保持透过率在85%以上,这对太赫兹滤波器的滤波带宽和透过率的提升具有重大意义。     

微带贴片天线应变传感器优化设计研究

承载部件作为高端装备中最常见的结构单元,在役过程中受载荷和应力集中影响极易萌生裂纹,导致结构失效,实时监测结构关键部件的应变状态对保障结构健康至关重要。基于微波无损检测技术,揭示了矩形微带贴片天线的辐射元尺寸对其固有谐振频率的影响规律,探究了微带贴片天线谐振频率与应变的相互作用机理。矩形微带贴片天线可激发单频和双频谐振频率,改变矩形辐射元的长度或宽度,其谐振频率会发生频移。实验结果表明,当对金属接地板施加一定拉应力时,贴片天线几何尺寸会发生改变,其谐振频率也随之发生偏移,据此可推算出金属接地板的应变大小,这对关键承载部件的应变和裂纹实时监测具有重要的研究意义。     

基于狭缝波导的太赫兹场限制能力及频带宽度的研究

狭缝波导由于具有将光场限制在中间空气狭缝区域中传输的特性,使其可用来提高太赫兹集成器件的性能。为了分析狭缝波导结构的太赫兹场的传输特性,利用二维有限时域差分法(COMSOL-光学模块)得到了硅材质的狭缝波导在波长为450μm时的太赫兹场的传输模式和频带宽度,并获得了狭缝波导结构参数与狭缝区域太赫兹场限制能力的关系以及与频带宽度的关系。研究结果为太赫兹狭缝波导的设计提供了参考。     

基于微波谐振腔的湿度传感器

构建了含水混合物介电特性模型，设计了基于此模型的开路同轴谐振腔传感器，并指出影响其传感特性的两个主要参数是保护盖介电常数和空载谐振频率。鉴于此，针对保护盖材料及空载谐振频率对传感器传感特性的影响进行了全面分析和仿真。加工了具有不同谐振频率的微波谐振腔及不同材料的端口保护盖。实验结果表明，该模型能够很好地指导传感器的设计，同时选取Al2O3作为保护盖材料及具有空载谐振频率为2．5GHz的谐振腔，具有较好的测量效果。     

太赫兹金属光子晶体结构研究

鉴于金属光子晶体结构在滤波、极化、传感、成像等领域的重要作用,研究了基于三角形晶格的金属光子晶体的超常透射、光子能带和表面波特性。采用三维时域有限差分法对金属光子晶体结构建模,同时解释超常透射机理;推导和讨论光子能带沿着ΓK和ΓM晶格方向的能带图,分析不同的表面波特征,并解释非对称入射下观察到的三角形的两个晶格方向模式分裂效应;建立了描述这种模式分裂效应的精确的表面模式谐振频率公式,并对金属光子晶体的色散进行了定量分析。研究结果可为太赫兹功能器件的研究提供参考。     

基于腔结构的射频微机械谐振元件的设计

对圆柱形复合腔结构微机械谐振元件进行了设计研究,提出了一种基于柱形腔结构的微机械复合谐振元件的设计方法,并对其结构及特性进行了研究.建立了复合腔结构的电磁场数学方程,腔体基于体微机械微细加工技术实现工艺设计,最后对该元件进行了仿真分析.TM010模式下,谐振腔谐振频率为24.313299GHz,Q值为3529.707890,考虑微带耦合时仿真出复合谐振元件的最佳谐振频率为24.75GHz.仿真实验结果和理论值的平均误差不到1%,两者吻合得很好,说明了该设计的可行性.进一步改变结构参数,可获取不同谐振频率的器件,且可在腔体中填充高介电常数介质来减小器件的谐振频率,克服了以往使用腔体结构在低频段时体积过大等问题.     

多信道二维光子晶体滤波器

根据光波模在光子晶体线缺陷波导和环形谐振腔之间的耦合原理,在二维三角晶格光子晶体中设计了一款由线缺陷主波导、环形谐振腔、60°弯下载波导组成的多信道下载滤波器。利用平面波展开方法计算了完整光子晶体及线缺陷波导的能带结构;基于时域有限差分方法计算了各目标频率光信号在器件中的传输特性,分析了影响器件耦合效率的因素并对其进行了改进。分析表明:通过改变环形谐振腔内介质柱的半径可以调节光子晶体环形谐振腔的谐振频率,而改变线缺陷主波导与环形谐振腔之间耦合区域中介质柱的形状以及将直下载波导改换成60°弯下载波导可以提高线缺陷主波导、60°弯波导与环形谐振腔之间的耦合效率。计算结果显示:优化后的多信道二维光子晶体滤波器具备优良的选频功能,各目标频率光信号的透射率均达90%以上。与传统半导体介质材料器件相比,该器件体积较小,结构简单,易于大规模集成,很有应用前景。     

Hot-electron bolometer terahertz mixers for the Herschel Space Observatory

We report on low noise terahertz mixers (1.4-1.9 THz) developed for the heterodyne spectrometer onboard the Herschel Space Observatory. The mixers employ double slot antenna integrated superconducting hot-electron bolometers (HEBs) made of thin NbN films. The mixer performance was characterized in terms of detection sensitivity across the entire rf band by using a Fourier transform spectrometer (from 0.5 to 2.5 THz, with 30 GHz resolution) and also by measuring the mixer noise temperature at a limited number of discrete frequencies. The lowest mixer noise temperature recorded was 750 K [double sideband (DSB)] at 1.6 THz and 950 K DSB at 1.9 THz local oscillator (LO) frequencies. Averaged across the intermediate frequency band of 2.4-4.8 GHz, the mixer noise temperature was 1100 K DSB at 1.6 THz and 1450 K DSB at 1.9 THz LO frequencies. The HEB heterodyne receiver stability has been analyzed and compared to the HEB stability in the direct detection mode. The optimal local oscillator power was determined and found to be in a 200-500 nW range.     

太赫兹波段光子晶体温度传感器的研究

使用对太赫兹波段有吸收效应的掺杂硅设计光子晶体结构,使得在光子带隙内的光波被吸收,并加上金属反射镜面将光子晶体的吸收峰和法布里-珀罗(F-P)谐振吸收峰结合,使此结构在0.29～0.31 THz波段达到宽频吸收,并且在0.31～0.34 THz波段通过测量光子晶体的反射率可以计算出对应温度。在使用商业电磁仿真软件CST2014仿真和优化参数后,反射率对应温度变化的变化范围是0.09～0.36,即最大值与最小值有4倍之差,这一特性表明,此结构的反射率变化随温度变化十分明显,是一款十分灵敏的温度传感器。此外,在入射角不大于40°时,结构性能依然良好。     

太赫兹宽带消色差偏折器设计

偏折器可以调控电磁波的传播方向,在传感、光通信等领域具有重要的地位,但是色差问题使传统偏折器的偏折方向随波长变化,很大程度上限制了偏折器的发展。为了消除偏折器中的色差问题,通过对太赫兹偏折中色差问题的物理机理进行分析,采用几何相位与共振相位结合的设计方法,在全介质超表面上实现宽带消色差偏折的功能。利用有限时域差分法(FDTD)在0.5 THz到1.1 THz的宽带范围内仿真验证设计的方法并实现了超表面消色差偏折的效果。     

Dielectric and Optical Properties of Strontium–Barium Niobate Films in the Range of 0.2–1.3 THz

The knowledge of optical and dielectric properties of ferroelectric films, in particular, strontium–barium niobate films, in the terahertz spectral range is needed to use these films as a basis of active elements and structures for detection and control of terahertz radiation. The properties of strontium–barium niobate films with x = 0.5 grown on oriented sapphire substrates with a deposited electrode are studied by the method of terahertz time-domain spectroscopy in the spectral range of 0.2–1.3 THz. It is found that strontium–barium niobate films can be used to develop devices for detection and control of terahertz radiation.     

High average power input couplers for superconducting cavities of charged particle accelerators

The heat and electrodynamic calculations of a power input coupler into superconducting cavities of an accelerator’s injector with energy recuperation are presented. The design of a double coaxial input of an average power of 2 × 75 kW is described. The heat losses in this device are <0.2, <3.5, and <75 W at temperatures of 2, 4, and 80 K, respectively. The external Q factor of the cavity can be adjusted. The design of the coupler can be modified for inputting an average power of 2 × 250 kW.     

太赫兹光致力近场显微成像技术及应用研究

设计并搭建了太赫兹光致力显微成像系统(THz PiFM),首次在太赫兹波段实现了近场光力纳米显微成像测量。该系统基于原子力显微镜,利用探针对所受力的灵敏检测能力,通过探测探针与样品之间近场偶极相互作用产生的光场梯度力,实现无探测器的太赫兹近场显微成像。利用该系统,对可见光激发下的单层MoS₂晶粒进行了近场纳米显微成像表征,并分析了晶粒边缘近场光力信号增强的机制。研究结果表明,THz PiFM对二维材料中的载流子具有高灵敏的探测能力。与传统的太赫兹近场显微成像技术相比,THz PiFM无需太赫兹探测器,而且可获得更加优越的空间分辨率和成像信噪比,是一种低成本、高性能的新型太赫兹近场显微成像技术。     

High-Q microwave chamber providing Gunn diodes operation in the oscillation and amplification modes

A microwave cavity, the loaded Q of which is improved by mounting the Gunn diode outside the resonant cavity, is described. The enhanced characteristics of the oscillators and amplifiers using this cavity as an oscillatory system are presented.