双频太赫兹圆极化吸波与异常反射手性超表面

本文提出了一种工作在太赫兹频段的双频圆极化手性吸波和异常反射手性超表面,通过合理组合两种手性结构,实现在两个频段相互独立的圆极化手性吸收和异常角度的圆极化转换功能.该双频太赫兹手性超表面在2.53 THz处对左旋圆极化波的吸收率为96.3%,对右旋圆极化波实现同极化的反射;在3.43 THz处对右旋圆极化波的吸收率为90.9%,而对左旋圆极化波表现为同极化反射功能.本文进一步通过连续旋转单元图案引入几何相位,实现了2π反射相位全覆盖.组阵后的手性超表面在两个工作频点各自吸收特定旋向的圆极化波,而对正交极化的圆极化波分别发生约±20°的保手性异常反射.这种基于手性超表面的双频太赫兹多功能器件有望应用于电磁能量收集、极化转换器、手性传感等领域.     

全介质超表面中的手性太赫兹响应

基于单层金属手性谐振器的超表面在垂直入射条件下很难激发较大的手性光学响应,难以形成与电偶极矩不正交的面内磁偶极矩分量。光场在介质超原子中激发的位移电流可能引发面内磁矩,进而实现高效的手性光学响应。基于无损的全硅超表面在太赫兹波段实现了巨大的手性响应。手性硅柱中的泄露波导模式同时激发了面内电偶和磁偶极矩,从而引发了自旋选择的后向电磁辐射,进而实现了太赫兹波的手性光学响应。利用线栅偏振片搭建了偏振相关的时域光谱测试系统,测得透射光谱中的圆二色性峰值达0.2。这种制备简单的全硅超表面为太赫兹手性超器件的设计提供了新的思路,有望应用于太赫兹偏振成像、光谱检测等领域。     

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。     

基于太赫兹超材料的微流体折射率传感器

设计加工了一种太赫兹超材料微流体传感器件,利用时域有限差分法（Finite Difference Time Domain,FDTD）对其在太赫兹波段的传输、谐振及传感特性进行数值模拟。采用太赫兹时域光谱系统实验研究了偏振方向对传感器灵敏度的影响。实验结果表明,当超材料谐振环开口方向与入射太赫兹波的偏振方向平行和垂直时,折射率传感灵敏度可分别达到39.29 GHz/RIU和74.43 GHz/RIU。通过等效电路模型对该超材料器件的传输和谐振特性做了分析,并进一步明确了其传感机制。该超材料器件可对微量液体（5 l/mm2）实现芯片式的折射率传感,具有较高的传感灵敏度,在化学生物传感器的设计和制造领域具有潜在的应用前景。     

基于柔性超材料的太赫兹超高灵敏度生物传感器设计

太赫兹超材料具有非电离辐射特性,且对弱共振敏感,在生物传感应用中具有优异的性能.针对目前太赫兹波段生物传感器灵敏度仍需提高的需求,提出了一种在柔性聚酰亚胺电介质上制备的平面阵列法诺不对称开口环谐振器.该传感器对附着其表面的待测生物样本高度敏感.仿真结果表明,该柔性超材料生物传感器的灵敏度可达1018 GHz/RIU,质...     

超表面奇异点太赫兹传感（特邀）

奇异点是非厄米系统中的奇点,由两个或多个特征值及其相应的特征向量同时简并产生。超表面是在亚波长尺度上构建的二维人工电磁材料,其结构和性能的人工可设计性为研究非厄米现象提供了新的途径。本文首先介绍了非厄米系统和奇异点的基本理论并概述了奇异点的最新研究进展,之后介绍了超表面奇异点太赫兹传感的研究进展,最后总结了奇异点传感仍然存在的问题,并展望其发展趋势。     

太赫兹信息超材料与超表面

该文对信息超材料,包括数字超材料、编码超材料、以及可编程超材料的研究进展及其在太赫兹领域的应用进行了综述,从原理分析、数值仿真、样品制备、实际应用等多个角度介绍了信息超材料对电磁波全面而灵活的调控能力,着重探讨了编码超材料在太赫兹领域的发展以及应用,最后阐述了现场可编程超材料的原理及其在构建新型成像系统、新概念雷达中的应用。信息超材料与超表面对太赫兹波束的灵活调控可用于制作波束分离、低雷达散射截面等多种功能器件,为太赫兹频段电磁波的实时调控开辟了新的途径。      

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。     

柔性可弯曲人工超构材料太赫兹波超吸收研究

近年来,由亚波长人工微结构单元组成的超构材料,因其具有自然材料所不具备的奇特物理性质,吸引了人们的广泛关注.其中最有趣的应用之一就是利用亚波长人工微结构增强对电磁波的吸收.设计并实现了一种人工超构材料柔性可弯曲的高性能太赫兹吸收器.为了实现最优的结构设计,分别对器件的结构周期、金属条宽度、介质层厚度和材料光学性质等关键结构及材料参数进行了系统优化.实验结果显示在频率3 THz附近器件峰值吸收率高达99%,与数值模拟结果相吻合.     

可重构太赫兹石墨烯极化转换超表面

提出了一款基于石墨烯的太赫兹超表面单元,该单元能够对圆极化入射波起到极化转换的作用.通过调节石墨烯的化学势能,超表面单元的反射特性会发生改变.在此基础上,根据几何相位以及异常反射原理,利用超表面单元的相位调制特性,构建了3组不同相位梯度的超表面,并对不同化学势能条件下的近场特性进行了电磁仿真研究.更进一步,又利用超表面...     

太赫兹超材料生物检测应用研究进展

超材料作为一种具备超常物理性质的人工复合材料,能够突破常规材料的限制,为设计先进功能材料开辟一种全新的思路。太赫兹波由于具有光子能量低、对生物物质无电离损害和分子指纹谱等特性,通过与超材料结合,可实现对生物物质高灵敏检测,越来越受到国内外学者的广泛关注。本文总结了近几年来太赫兹超材料传感器在生物分子和细胞检测领域上取得的进展,首先介绍了太赫兹超材料传感器的传感原理和性能指标,其次从超材料结构设计、衬底选择、以及与微流控和新材料结合等方面阐述了太赫兹超材料传感器在生物检测领域的发展。通过对超材料结构进行优化、采用低介电常数薄型衬底、结合微流控技术或在传感器上粘附新材料涂层,可进一步提高超材料传感器的灵敏度,并丰富其在生物医学检测上的功能。最后,对太赫兹超材料传感器的发展趋势和前景进行了展望。     

基于石墨烯的可调谐高吸收率太赫兹超材料

提出一种基于石墨烯的双波段太赫兹超材料吸收体,它由金属-电介质-石墨烯3层超材料结构单元在水平方向上进行周期性拓展而成。仿真结果显示,其在太赫兹波段6.62 THz和 9.36 THz分别产生99.9%和98.9%的高吸收率;通过改变石墨烯的费米能级,可以灵活地控制吸收体的谐振频率和吸收强度,而吸收体的吸收强度也可以利用石墨烯的弛豫时间进行单独控制。另外,研究了吸收体中间介质层厚度和介质损耗对吸收率的影响,这为吸收体初始加工工艺参数的确定提供了依据。研究结果表明,提出的基于石墨烯的太赫兹超材料吸收体结构简单,易于加工,可通过偏置电压或者化学掺杂,简单地实现吸收体的可调谐性,为双波段高吸收率太赫兹超材料吸收体的设计提供了重要参考。     

基于导电聚合物的太赫兹频率选择表面

导电聚合物材料聚3,4-乙撑二氧噻吩(PEDOT)：聚4-苯乙烯磺酸盐(PSS)是一种在太赫兹波段很有潜力的多功能材料。为了验证其代替金属应用于太赫兹超材料(MMs)中的可能性,设计了一个基于二甲基亚砜(DMSO)掺杂PEDOT:PSS的太赫兹频率选择表面(FSS),并通过CST Microwave Studio软件模拟了该FSS在太赫兹波段的性能。研究结果表明,该FSS在谐振频率下可实现强带阻,调制深度可达50 dB。     

基于超材料的太赫兹分波器的研究

本文提出了一种基于超材料的太赫兹分波器,其结构单元由上下两层"一"字型金属线以及中间的石英介质构成.此分波器工作在太赫兹通信窗口,将中心频率为0.225 THz和0.300 THz的两束太赫兹波分离,其隔离度分别为34 dB、47 dB,插入损耗分别为0.19 dB、0.04 dB,分波器的群延迟稳定.另外,也对分波器...     

宽入射角高效宽带超表面太赫兹线极化转换器

为解决当前太赫兹频段下的极化转换器件带宽窄和带内转换率低的问题,设计了一款基于超表面的高效率太赫兹线极化转换器.通过在两端增加一对谐振枝节的方法,将原本的单谐振频点变为2个,增加了极化转换器的工作带宽.另一方面,利用超表面在电磁谐振时的高阻抗表面特性,获得了极低的同极化反射系数,提高了带内的总体转换效率.仿真结果显示,...     

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.     

基于双层VO2的可调谐宽带太赫兹超材料吸收器

基于VO₂的相变特性,提出一种具有宽带特性的太赫兹超材料吸收器,包括2层VO₂图案、2层聚酰亚胺介电层和1层金属反射层,共5层结构。对吸收器的吸收特性、电场分布和可调谐特性进行仿真分析,结果表明,所设计的吸收器吸收率大于90%的带宽为2.56 THz。该吸收器将2层结构相同但尺寸不同的周期单元堆叠,有效扩展了带宽;且通过控制VO₂从绝缘态到金属态的相变,可以实现吸收率的连续调谐。通过研究不同偏振角及入射角条件下所设计超材料吸收器的吸收性能发现,该吸收器具有偏振无关、在较大入射角入射时吸收不敏感特性。所设计的吸收器有望在太赫兹通信、成像和探测器等领域得到广泛应用。     

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。