太赫兹宽带非对称传输器件的研究

提出一款双层双L形太赫兹非对称传输器件,其结构单元由典型的金属-介质-金属结构组成,顶层为轴对称的双L形金属层,底层为中心对称的双L形金属层。在1.174~1.420THz范围内,当x极化波正向垂直入射时,该器件的非对称传输参数大于0.6,其中在1.207~1.377THz范围内非对称传输参数大于0.8,在1.334THz时非对称传输参数达到峰值0.859。最后,讨论了材料的选择和入射角度对器件非对称传输性能的影响。该非对称传输器件具有频带宽、非对称传输明显等特点,可用于太赫兹二极管、太赫兹开关等功能器件。     

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.     

双阻带红外频率选择表面的设计

为实现在中、远红外两个大气窗口的低透过率,设计了一种基于六边形环状结构的双屏红外频率选择表面（FSS）,利用CST电磁软件进行仿真分析,发现该FSS在3~5 m和8~14 m两个波段内的平均透过率低于2.5%,实现了红外波段的双阻带;采用表面电流模式分析法和有效介质理论分析了该FSS的滤波机理,发现不同谐振点处由于屏间耦合或屏内单元间的耦合在谐振单元表面感应出对称分布的电流从而使散射总场增强,形成增强型反射,即比较理想的红外光阻带;最后研究了电磁波的极化方式、入射角度、介质属性以及结构参数对FSS传输特性的影响。结果表明该FSS具有良好的偏振稳定性和角度稳定性,介质属性和结构参数对其传输特性有较大影响。     

周期性结构对远红外辐射特性抑制分析

基于有限元法设计了一种金膜圆环周期结构频率选择表面,仿真结果表明该周期结构在远红外大气窗口(8～14 μm)对红外辐射抑制效果明显,在25～37.5 THz (8～12 μm) 平均透过率低于20%,尤其是在27～36 THz之间其透过率低于10%。通过优化计算,研究了圆环内外半径、宽度和厚度等不同结构参数对该结构传输特性的影响规律。     

THz波大气探测仪器发展现状研究

THz波在电磁波谱中位于微波至红外波段的过渡区域,其特性在空间研究及应用领域具有独特的优势,THz频段的大气遥感仪器可以为探测地球大气信息提供全新的视角,在大气科学领域展现出良好的应用前景。介绍了THz技术在大气探测领域的主要应用,综述了国内外THz频段的大气观测仪器的研究现状,通过各仪器关键指标参数的对比分析,总结了THz大气观测仪器的发展趋势及发展前景,并提出了发展THz大气遥感技术的建议。     

太赫兹矩形波导与共面波导耦合结构设计

太赫兹（THz）波位于微波与红外光波之间,现有微波和光波段波导技术应用正在向THz波段拓展。但是,由于水汽对THz波的强吸收及制造工艺等原因,THz器件主要是平面结构,而THz源及其传输需要用矩形波导。因此,矩形波导与共面波导之间的转换结构成为决定元件和系统性能的关键部分。该设计利用脊波导进行阻抗匹配及电磁场模式转换,实现THz波矩形波导到共面波导的高效率耦合。结果表明,在0.2~0.4 THz频段内,该转换结构的传输系数(S₂₁)高于?3 dB,可以对THz电磁场进行高效率转换。该结果可用于太赫兹分子探测、太赫兹通信等领域,为0.2 THz以上太赫兹的模式转换提供了一种可行方案。     

太赫兹波在砷化镓波导中的产生与传输

为提高太赫兹(THz)波的产生效率,研究了飞秒激光与GaAs 晶体的相互作用。首先研究了块状GaAs 晶体中泵浦光与THz 波间的相位匹配,结果显示泵浦光的群折射率曲线与THz 波的折射率曲线不存在交点,表明了块状晶体结构中相位失配问题的存在;然后设计了四种不同尺寸的波导结构,根据波导理论计算了波导结构在0.1~6 THz 波段的折射率,并结合波导的吸收和色散参数分析了THz 波在晶体中的最佳传输距离。研究结果表明,GaAs 波导结构能够有效增大泵浦光与THz 波的相位匹配程度,从而提高飞秒激光与晶体耦合过程中THz 波的产生效率。研究为基于飞秒激光与GaAs晶体相互作用的高效THz 产生技术提供了理论依据。     

用于检测血清中毒品的频率选择表面的设计

本文基于频率选择表面(Frequency Selective Surface,FSS)的空间滤波性能设计了一个响应频带在可见光及更短波段的带阻型频率选择表面,用于血清中冰毒的检测。结合已有的设计经验和仿真测试结果提出了双屏方环FSS单元结构,通过为其设定适当的结构参数初步实现了600～1 000 THz的阻带。在此基础上分析了影响频率选择表面传输性能的各项参数,分析了方环尺寸大小、中间介质层厚度、介质层介电常数等对FSS传输性能的影响;基于此,综合考虑各项参数的影响,利用仿真软件HFSS进行了多次仿真求解,得到最优情况下的方环外边长为120 nm,内边长为100 nm,单元周期为140 nm,介质厚度为60 nm,金属贴片为厚度10 nm的银,介质层材料为介电常数是2.08的Neltec NY9208。所得到的最优情况下的FSS单元结构阻带为500-1 000 THz,带内透射率可达到5%以下,通带为1 000-1 600 THz,带内透射率可达到90%以上,可以实现滤除血清自身荧光信号的设计目标。     

圆锥形仿生蛾眼抗反射微纳结构的研制

采用时域有限差分（FDTD）法对中红外波段（3~5 m）硅基底的圆锥形仿生蛾眼微纳结构进行了仿真模拟。通过对微纳结构占空比、周期和刻蚀深度等参数的分析,获得了具有良好抗反射特性的微纳结构的组合参数。为了更好地指导实际加工,对不同参数进行了公差分析。制作中应用二元曝光技术和反应离子刻蚀技术在硅基底上制备得到该圆锥形仿生蛾眼微结构,并且使用热场发射扫描电子显微镜得到了该微结构的表面形貌图。采用红外成像光谱仪对单面微结构的测试结果表明,仿生蛾眼微结构的反射率在中红外波段约为5%。     

太赫兹波段信号在雾中的传输特性研究

太赫兹（THz）波提供的通信带宽和容量远大于毫米波。与可见光和红外光相比,THz脉冲的波长较长,在随机介质中传播时,不但会发生时域和空域的形变,介质中的粒子还会对入射波发生散射,这些都会使得脉冲信号发生衰减。根据Mie理论与随机离散分布粒子的波传播与散射理论,计算了THz波信号入射下雾滴粒子的消光系数,分析了不同THz波波长下,雾滴粒子消光系数随粒子尺寸的变化。结合雾滴粒子谱分布,考虑粒子群的平均体系散射特性,得到了不同波长下的平均反照率与相函数。最后分析了THz波段信号在不同能见度雾中的传输特性。结果表明:大气环境中,雾对THz波产生的吸收和衰减不容忽视,不同THz信号的水的折射率虚部的变化严重影响了THz信号在雾中的传输。     

基于极化旋转单元的宽带雷达散射截面缩减

提出并设计了一种基于非对称开口圆环形结构的极化转换单元，并以此为基础设计实现了超宽带雷达散射截面（radar cross-section，RCS）缩减电磁超表面.利用非对称开口圆环形结构极化转换单元可灵活设计转极化反射相位的特点，设计了两种极化转换单元以实现在超宽频带范围内满足反射相位相差接近180°，将这两种单元在平面上进行编码优化排布，使得入射电磁波产生漫反射效应从而实现超宽带后向散射RCS缩减.最后设计并加工了一个192 mm×192 mm尺寸的电磁超表面，仿真和实测结果表明该表面在11.2~24.1 GHz的宽频带内实现了10 dB以上的RCS缩减，最大缩减可达35 dB.     

基于电磁超表面的太赫兹线极化转换器

研究基于电磁超表面的太赫兹波束极化调控技术,即采用金属-介质-金属的三层结构设计了一种反射式太赫兹波90o线极化转换器,并分别采用数值仿真和实验测试方法表征其极化转换特性。结果表明,该反射式超表面可以在工作频率(0.5 THz)达到高效的线极化转换(高于75%),且具有宽带特性(在0.35~0.65 THz极化转换效率超过50%)。此外,采用的超薄玻璃介质衬底使得超表面极化转换器具有厚度小、质量轻和耐热性好等优异的综合性能。     

基于SWCNTs薄膜的多谐振环太赫兹超表面传感特性

基于单壁碳纳米管(SWCNTs)薄膜,构建了一种具有多频窄带共振效应的新型太赫兹(THz)超表面。深入分析了周期性微结构单元参数对超表面的共振特性的影响;通过仿真及理论计算对器件的共振耦合机理进行研究,二者具有较好的一致性。通过在超表面覆盖不同折射率的介质层,分析这种THz超表面器件的折射率传感特性,灵敏度分析结果显示,该超表面器件可实现最高64 GHz/RIU的折射率传感。     

基于连续谱束缚态的高Q太赫兹全介质超表面

为了研究基于连续谱束缚态(BIC)高品质因子Q谐振, 提出了由双空心硅圆柱体组成太赫兹全介质超表面。采用数值模拟方法对结构的透射光谱及电磁场图进行了分析, 并利用本征模分析的方法研究了超表面结构参数对BIC频率的影响, 给出了该BIC超表面在太赫兹大频率范围工作的参数设计方法。结果表明, 在3.0THz左右实现了一个可调高Q环偶极Fano谐振; 本征模式的分析计算结果与入射电磁波模式的分析计算结果对称性不匹配, 该超表面支持的是一个对称保护BIC。此研究为基于BIC的高Q超材料在超低阈值激光器件、非线性光学谐波产生及高灵敏度传感等领域的应用提供了理论参考。     

基于π型结构双折射超表面的设计与应用

为了实现结构简单、透射率高的双折射超表面, 采用广义薄板跃迁条件分析了该超表面结构与其周围入射场、反射场和透射场的关系, 并利用介质空间域的表面极化率、磁化率等描述了相应超表面的等效特性, 设计出一种基于π型金属结构单元的双折射超表面。通过将具有梯度透射相位的7个单元按照顺序排列, 形成具有对垂直入射x, y极化电磁波双折射性能的超表面。结果表明, 在波束折射和偏振分束超表面中, 损失均低于-8dB; λ/4波片中达到全透射; 所设计的双折射超表面对垂直入射的电磁波具有高透射特性, 并且能够分离x极化电磁波和y极化电磁波的波束, 实现双折射。该研究结果对高性能超表面的设计与实现具有一定的指导意义。     

一种面向非视距环境的涅尔区全息多点聚焦方法

菲涅尔区多点聚焦已成为一种应用广泛的电磁能量聚合方法。然而,多点聚焦的能量传输效率受无线环境特别是非视距(Non-Line of Sight,NLOS)环境的影响较大。针对该问题,首先研究了可编程超表面的功能模型,在此基础上,提出一种基于可编程超表面的菲涅尔区全息多点聚焦方法;然后,针对该方法中的超表面结构单元、可编程超表面及其聚焦和准直特性进行了仿真分析。仿真结果表明,在相同的NLOS环境下,不采用可编程超表面的方法传输效率不高于5%;而所提方法允许针对不同无线设备以最适宜的方式进行电磁传播规律的编程定制,最高具有近60%的传播效率。因此,所提方法能够有效突破NLOS环境的限制,大大提高菲涅尔区多点聚焦的传输效率,有望应用在医疗超声、光学成像、无线能量传输、新一代移动通信等多个领域。     

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。     

电磁偏谐振阻抗匹配宽带传输超表面设计

针对传统传输超表面固有高Q值导致的工作频带窄的问题,提出了一种电、磁双模偏谐振阻抗匹配实现宽带传输超表面设计方法。建立了实现低损耗透波阻抗匹配的本征参数模型,并根据经典Drude-Lorentz模型分析了本征参数在电磁谐振与偏谐振区域的电磁特性。基于此,通过独立激励电、磁偏谐振模式,设计了满足宽频带阻抗匹配的本征参数电路模型。基于该模型,通过在超表面中引入金属微带线和平行贴片分别作为电、磁偏谐振器,调控结构的本征参数,从而在宽频带内实现所需本征参数条件。仿真和测试结果均证明,设计的超表面实现了双极化模式相对带宽为79.5%的3 dB传输带宽,且结构具有0°~40°的斜入射稳定性。该超表面具有超宽带、结构简单的特点,可应用于高性能天线罩设计中。     

2比特激励编码超构表面的辐射与散射调控

超构表面(metasurface, MS)是当前电磁领域研究的热点和前沿,它能够有效调控电磁波. 2比特数字编码MS由于不同形态单元个数的增加,增强了散射和辐射控制的灵活性,为更好的隐身效果、更宽的带宽以及多功能的实现提供了可能. 文中将分形磁电偶极子天线结构和极化控制MS单元有机融合,先构建出激励MS单元,再通过结构变换和数字编码,提出了2比特可激励编码MS,并设计了拓扑结构. 仿真和实验验证了辐射与散射调控的多功能特征. 设计的2比特激励编码MS在天线雷达散射截面(radar cross section, RCS)减缩和未来无线通信系统领域具有潜在的应用价值.