基于表面金属结构的太赫兹超材料吸波器件研究

由于局限于微纳加工技术以及本身的响应特性,现有超材料吸波器件仅能实现对单一频率或窄频带的完美吸收,针对这一问题,提出了一种新型超材料太赫兹宽带吸波器件。利用将十字结构与谐振环结构两种不同的表面金属结构进行组合的方法,扩展了吸波频带宽度和提高了吸收率,并使其具备了极化模式和入射角度不敏感的优点;同时对吸波器件工作机理进行了剖析,并采用数值模拟的方法研究了电磁波极化模式、入射角度、结构尺寸等参数对于超材料吸波器件性能的影响。研究结果表明:该吸波器件在1.26 THz～1.33 THz的吸收率均超过99%,在1.23 THz～1.37 THz的吸收率均大于90%;相对于其他宽带吸波器件,该吸波器件吸收率和吸收频带的带宽均有所提升。     

液态一元醇的太赫兹时域光谱研究

太赫兹波可以与极性液体中的氢键网络产生强的相互作用,作用越强吸收越强。鉴于此性质,利用太赫兹时域光谱技术对甲醇、乙醇、正丙醇在0.1~1THz波段内的太赫兹光谱进行了检测,发现其吸收光谱随分子极性的差异有显著的区别,并从中提取出了一元醇的吸收系数、折射率、介电常数等光学参数。在此基础上还利用对样品介电常数敏感的微孔金属片,通过产生的共振峰漂移进一步对不同一元醇进行了检测,结果表明太赫兹光谱技术结合微结构器件在液态化学及生物样品检测方面有潜在的应用价值。     

石墨烯动态调控太赫兹泄漏波的研究

设计了一种基于石墨烯动态调控太赫兹泄漏波的调制器件。通过调节石墨烯费米能级的大小,改变了金属-介质-石墨烯(MIG)超表面结构的共振响应,从而达到调控太赫兹泄漏波的功能。仿真结果表明:随着石墨烯费米能级从10 meV到60 meV和介质层厚度从20μm到200μm的变化,通过优化电控石墨烯MIG结构最终实现了35 GHz的频率扫描范围,并伴有电磁响应状态从过阻尼至欠阻尼的转变;在过阻尼状态下结构的电磁响应仅存在共振吸收而在欠阻尼状态下具有类电磁诱导透明现象,使具有这种显著变化特征的电控石墨烯MIG结构可应用于高灵敏的生物检测中。本器件具有构型简单、调控方便的特点,在生物分子和材料折射率检测等方面具有广泛的应用前景。     

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。     

散射式太赫兹扫描近场光学显微技术研究

基于散射式近场探测原理,设计并搭建了散射式太赫兹扫描近场光学显微系统(THz s-SNOM),实现了纳米量级空间分辨率的太赫兹近场显微成像测量。该系统以输出频率范围为0.1~0.3THz的太赫兹倍频模块为发射源,通过纳米探针的针尖产生纳米光源与样品相互作用,并将样品表面的倏逝波转化为可在远场测量的辐射波。通过探针逐点扫描样品表面,同时获得了样品表面的形貌图和太赫兹近场显微图。该系统的显微分辨率取决于探针针尖的曲率半径,而与太赫兹波的波长无关。使用该系统测量了金薄膜/硅衬底样品和石墨烯样品的近场显微图,结果表明,近场显微的空间分辨率优于60nm,波长与空间分辨率之比高达λ/26000。     

基于石墨烯太赫兹调制器的研究

利用石墨烯的电导率可以通过电压调节的特性,研究了一种基于单层石墨烯的太赫兹调制器。为了提高太赫兹-石墨烯相互作用强度,调制器采用一种石墨烯-金属复合结构。全波电磁数值仿真结果表明,在反射工作模式下,该器件在3.5 THz的调制深度大于90%。采用平面半导体工艺,实现了调制器原型器件,并对其反射谱进行了测试,实验数据与仿真结果相符,这为以后实现高质量的太赫兹调制器奠定了基础。     

不同浓度硫酸盐的太赫兹光谱分析

水体中硫酸盐含量过高会严重危害人体健康和生态平衡,本文利用太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)对硫酸铜、硫酸钾不同浓度样品进行了光谱测试,得到0.2-2.0THz频率下的频域谱图和吸收曲线.结果表明THz光谱透过不同的硫酸盐样品后有不同的吸收曲线,对于每种硫酸盐,浓度越大对太赫兹波的吸收越强,浓度与吸收系数之间呈现线性递增关系.THz-TDS能够分辨硫酸盐溶液中浓度的不同,可以应用于对水溶液检测与分析,为水质分析提供了新的方法.     

太赫兹波的古依相移研究

为了测量太赫兹波聚焦点附近不同位置的太赫兹时域信号图对飞秒脉冲强激光在空气中进行聚焦,在形成空气等离子体细丝通道的同时辐射出锥型太赫兹波,并用离轴抛物面金镜收集和聚焦太赫兹波。利用电光采样系统来探测太赫兹波,得到其频谱宽度约为4THz。通过对比分析得出,会聚的太赫兹波同样具有古依相移效应。     

一种提高太赫兹波成像分辨力的方法

成像分辨力低是影响太赫兹波成像系统在质检、安全和医疗领域应用的重要因素之一。用返波管（BWO）作为太赫兹波辐射源搭建了一个连续太赫兹波点扫描透射成像系统。采用扫描步长小于系统聚焦光斑尺寸的方式获得样品物体的太赫兹透射图像,并利用增量维纳滤波法对该图像进行复原获得了超过系统衍射极限分辨力的太赫兹图像。实验结果表明该方法可以有效提高太赫兹波成像的空间分辨力。     

利用太赫兹时域光谱系统检测水中污染物纯品

利用太赫兹时域光谱技术对22种水中污染物的纯品进行了检测,其中包括除草剂、化肥、塑化剂等。通过理论计算获得了上述样品在太赫兹波段的折射率和吸收系数。结果表面,2,4-二氯苯氧乙酸钠（2,4-D钠盐）和苯磺隆两种除草剂在太赫兹波段存在特征吸收峰,这些数据有利于应用太赫兹时域光谱技术对水中污染物进行检测和鉴别。     

石墨烯超表面的极化不敏感电磁诱导反射

利用时域有限差分(Finite difference time domain,FDTD)方法研究了石墨烯超材料的电磁诱导反射(Electromagnetically induced reflection,EIR)效应.首先,设计了一种在太赫兹波段上由二氧化硅(SiO2)、金和石墨烯条组成的三层超材料结构.然后,讨论了石墨烯条的宽度、长度和电磁波的入射角等参数不同的情况下该结构的电磁诱导反射效应,并通过改变结构的中间层介质材料得出SiO2是一种优良的介电材料.最终的模拟结果表明,该石墨烯超材料对极化入射的电磁波不敏感.该极化不敏感和大入射角的电磁诱导反射结构在光通信滤波器和太赫兹器件中有潜在的应用.     

基于空间能量分布调制增强和控制太赫兹信号

为了有效地对太赫兹波进行增强和连续控制，提出一种通过外部空间干扰调制太赫兹波的空间分布对太赫兹波进行增强和连续控制的方法。通过理论计算对比了未放置和放置空心金属波导的太赫兹波的空间分布，并研究了通过外部空间干扰改变太赫兹波传播路径对太赫兹波空间分布的影响。研究表明，采用改变空心金属波导和激光拉丝相对位置的方法，可以得到连续调控的太赫兹波的空间分布，并且太赫兹波空间分布的最强点能量强度增强了近5.9倍，可为宽带太赫兹波的连续调控提供参考。     

一种熔融沉积3D打印的高性能超材料吸波结构

高性能超材料吸波结构是近年学术界和工程界研究的热点,它通过单元结构的周期阵列排布形成吸波超材料结构,实现超材料的吸波层与自由空间的阻抗匹配,大幅提高对电磁波的吸收率,在隐形技术、通信天线及微波成像等军事和民用领域具有广阔的应用前景。基于超材料阻抗匹配原理,提出了熔融沉积3D打印技术制备超材料吸波结构的方法,实现了一种由聚乳酸（Polylactic acid,PLA）单元空腔和具有优异电磁特性的蒸馏水复合组成的超材料结构的精确设计与制造,获得了在8.2~30.0 GHz电磁波频带内具有90%以上吸波率的高性能超材料吸波结构。研究表明该超材料结构还具有良好的极化无关和宽角度吸波特性。所设计制造的超材料吸波结构具有性能强、厚度薄、质量小等诸多优异的特性,为推动高性能吸波结构的深入研究提供了一种新的思路。     

运用波传播和子结构技术检测结构损伤

提出了一种基于波传播和子结构技术来检测大型周期结构损伤的方法,分析了存在单一扰乱单元的有限周期结构的自由波传播,讨论了单元柔度变化对结构自振频率变化的敏感性。通过求解敏感性方程,用测得的自振频率的变化检测了大型周期结构的损伤位置和程度,并通过与子结构方法的结合,进一步提高了大型周期结构损伤检测的准确性和计算效率。对周期弹簧－质量结构损伤识别的数值结果说明,该方法不仅对结构损伤的位置和大小能够作出良好地预测,而且不需要知识未损伤结构的原始信息,只需要测得结构损伤前后的少数几个自振频率的变化,这对于实际的工程运用具有一定的吸引力。     

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。     

A setup for measuring spatial and waveguide characteristics of periodic metal-dielectric structures

An experimental setup and procedure for measuring electrodynamic characteristics of planar periodic metal-dielectric structures, which can be used for manufacturing practical equipment operating in millimeter, submillimeter, and terahertz wavelength ranges. Serviceability of the setup is checked by comparing the waveguide and spatial characteristics obtained experimentally and by numerical methods in a 4-mm wavelength range.     

双色激光场下太赫兹辐射能量的调控研究

提升太赫兹(THz)脉冲产生能量一直是近些年超快光学的研究热点之一。基于双色激光在空气中拉丝产生THz波的数值模型,在隧穿电离范围内,详细分析了双色激光场产生THz波的最佳参数组合以及其产生变化的物理机理,用于得到最强的THz波辐射能量。双色激光场组合的电场具有不对称性,其引起的快速振荡有利于电子的加速过程,进而产生更大电子数密度以及在沿拉丝距离形成了更强的累积净电流。当电子密度和净电流增加时,使得单点THz辐射更强,拉丝各点辐射的THz波相干叠加,于是在远场得到了更强的THz波能量。这些研究结果为不同激光产生条件下增强THz波辐射能量提供了详尽的参数分析及理论依据,重点研究了不同寻常波长组合及不同相对相位对激光拉丝产生太赫兹波的影响,对后续大幅增强THz辐射效率具有重要意义。     

基于太赫兹波谱的液体极性测量

太赫兹波能与极性液体的氢键发生强烈的共振吸收作用,分子极性越大,吸收作用越强。基于此特性,在0.2～1.0 THz波段利用太赫兹时域光谱技术对甲醇、乙醇、正丙醇、正丁醇四种一元醇液体的极性进行检测研究。根据测量得到的四种液体太赫兹波谱数据,得出了液体的极性与其太赫兹波谱的关系式,再利用此关系式求得四种液体的计算值。通过对四种液体极性的标准值和计算值比对,验证了所得液体极性求取公式的有效性。研究结果表明,四种不同液体的时域光谱因分子的极性差异有显著的不同,所用的液体极性测量方法能够对液体的极性进行快速有效的检测与鉴别,可为其他液体极性的检测提供参考。     

基于钛酸锶的可调太赫兹超材料吸波器设计

热敏钛酸锶(SrTiO3)作为铁电晶体,在微波和太赫兹波段有很强的可调性,具有潜在价值。利用热电磁的可调性实现智能操作,提出了一种基于SrTiO3晶体的具有太赫兹波段吸收的热可调超材料。吸收超材料(AM)由Floquet线性周期排列单元形成,该单元由金属接地平面和菱形金属贴片中嵌入的交叉SrTiO3材料组成,并由FR-4介电层隔开。该超材料吸波器通过改变温度来实现频率的可调。详细讨论了SrTiO3的介电常数,以说明如何产生与热转换的可重构性。数值结果表明,当温度从280 K增加到360 K时,吸收带的可调谐带宽达到90 GHz,相应的吸收率达到99%以上。随着温度的升高,共振频率将产生蓝移。本文提出的被动热可调谐超材料可作为传感、材料检测和频率选择性热发射器的潜在候选材料。     

亚波长周期结构与多层增透膜反射特性的比较

为解决光学系统中普遍存在的菲涅耳反射问题,利用严格耦合波法设计、分析了一种三维轮廓亚波长结构,然后把计算结果同多层反射膜的增透特性进行了比较,结果表明该结构在很宽的波段上尤其是远红外波段上的抗反射特性要远远好于多层膜,其反射率基本上能控制在0.2%以内;并且这种结构反射率的变化随入射光波入射角的偏离在40°以内能保持在1%以下,而多层膜只能在30°以内勉强做到这一点。