周期性结构的石墨烯对太赫兹波的吸收特性研究

针对在六角孔形周期性结构阵列铜网上生长而成的石墨烯,对其在太赫兹波段的吸收进行了研究与讨论。用太赫兹时域光谱耦合系统对石墨烯样品进行检测,检测结果表明,在0.7~1.4THz范围内,因石墨烯样品含有的杂质增强了对太赫兹波的吸收,进而增大了整体的吸收率,所以片状石墨烯样品的吸收率约为4%,比以往文献中记载的2.3%高。因部分太赫兹波被石墨烯周期性结构形成的等离子带吸收,还有少部分太赫兹波被周期性结构干涉和散射,周期性结构石墨烯的吸收率增大了约1.5倍。     

方兴未艾的太赫兹生物医学传感器

太赫兹生物医学传感器在当前研究中属于一个热点,其工作原理主要依托人工周期性电磁媒介或二维材料构建电磁亚波长结构,与入射的太赫兹波相互作用时,引发类似表面等离子体共振现象,产生的局域电磁场增强效应对周围的介电环境敏感,从而改变太赫兹光谱中共振的品质因子与谐振频率,实现对生物分子的高灵敏度检测和分析。围绕近几年的研究现状,从生物传感器的类型及其在生物医学等领域的应用分别加以阐述,讨论了太赫兹生物医学传感器所面临的挑战和发展前景,旨在提供一些有价值的建议。     

基于温控系统的太赫兹可调谐滤波器

集成太赫兹滤波器是实现集成太赫兹通信系统的基本器件之一,为了使太赫兹滤波器实现片上可调,提出了基于温控系统的太赫兹可调谐滤波器。相比于其他的太赫兹滤波器,提出的片上可调谐滤波器的调谐方法简单,尺寸小,可以很好地与其他太赫兹器件集成到晶片上。利用温控系统改变晶片的温度,再利用硅材料的热光效应改变折射率,使得微环耦合状态发生变化,从而让太赫兹滤波器的谐振峰发生漂移。在将加热片从30℃逐渐加温到90℃的过程中,太赫兹可调谐滤波器在180 GHz附近的谐振峰中心频率从180.453 GHz逐渐减小到180.224 GHz,变化范围为0.229 GHz,谐振深度从-68 dB逐渐变化为-44 dB,半高宽由原来的0.040 GHz逐渐变为0.246 GHz。     

电控超介质太赫兹调制器用谐振环阵列的优化设计

针对电控超介质太赫兹调制器存在自身结构的电容和电阻大,调制器调制深度不高问题,本文利用ANSOFT HFSS软件对调制器的开口谐振环（SRR-Split Ring Resonator）阵列结构进行仿真设计与优化。仿真结果显示调制器的工作频率为0.48THz,调制深度可以达到77.2%。     

基于超表面的太赫兹复用成像

提出了一种基于单层超表面的太赫兹复用器件。该器件基于PB(back propagation)相位理论、广义斯涅耳定律以及马吕斯定律,实现了空间分复用成像。计算结果表明,所设计的器件能将一束线偏振入射光离轴出射,并产生多通道的复用图像。该器件的研究对拓展THz波段的高分辨成像、多通道信息传输等功能具有重要意义。     

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。     

基于返波管的葡萄糖太赫兹光谱研究

搭建了一套以返波振荡器(BWO)为辐射源的太赫兹透射式系统。通过高莱探测器、数字锁相放大器等完成测试信号的探测和存储,在LabVIEW编程环境下,完成配合系统硬件工作的软件平台的编写,利用VISA模块实现对下位机的参数设置以及数据采集工作。利用这套系统进行了单频和扫频实验,分别测试了不同葡萄糖溶液浓度的透过率。结果表明,葡萄糖溶液对太赫兹波有透过特征峰,不同浓度葡萄糖溶液对太赫兹波的吸收不一样。该研究为以后基于BWO的太赫兹生物传感器研究提供了参考。     

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。     

三种橡胶材料的太赫兹光谱研究

本文利用太赫兹时域光谱技术研究了氯丁橡胶、丁腈橡胶和三元乙丙橡胶在0.2～1.8 THz频段的光学性能和光谱特性,得到了三种橡胶的时域谱、折射率谱和吸收谱,进而计算橡胶在0.2～1.8 THz频段的吸收系数和折射率,结果表明可以通过吸收系数与折射率来区分不同种类的橡胶。这种方法为认识橡胶对太赫兹波的响应机制提供了科学依据,有望为橡胶材料鉴别提供一种有效的分析手段。     

基于超表面的新型太赫兹功能器件研究

太赫兹技术自被发现以来,凭借其自身独特优势,迅速引起了人们的广泛关注,其主要包括太赫兹源技术、太赫兹器件和太赫兹探测技术。其中,太赫兹器件与多个领域结合紧密,在生物医疗、半导体封装、无损检测、食品农产品、太赫兹通信材料表征等方面有广泛应用。超材料具有独特的结构优势,可以人为设计、选材,将超材料引入太赫兹器件使得太赫兹器件可以被人工设计成所需要的效果,从而为多个领域提供技术、器件支持。从太赫兹器件的构成、加工流程、应用、太赫兹器件对太赫兹波的调控原理以及当今存在的主要太赫兹技术等方面对太赫兹器件进行了研究,并对其发展前景做出了展望。     

全光纤结构的石墨烯电吸收调制器

利用石墨烯优越的光学性能,构建了基于全光纤结构的石墨烯电吸收调制器。设计了调制器的结构,并进行了仿真和实验双重研究。首先,根据石墨烯的光学可调特性研究了其化学势和介电常数之间的关系。接着,基于全光纤结构设计了石墨烯电吸收调制器,并分析了它的整体有效折射率和化学势的变化关系。对提出的光纤石墨烯调制器进行仿真分析,并与传统半导体电吸收调制器进行对比,实现了一个全光纤结构的石墨烯调制器。对实现的调制器进行了系统的性能测试。结果显示:仿真的四层石墨烯的全光纤电吸收调制器的调制效率可以达到0.233dB/mm,在12.9mm的长度上可实现0.2V的摆动电压。实验测试验证了提出的全光纤石墨烯调制器的可行性;但受实验条件的限制,其半波电压约为120V,3dB调制器带宽为100 MHz。与传统石墨烯波导调制器相比,提出的调制器显示了半波电压小,调制效率高,尺寸小,同时具有低的插入损耗低等优势,适合在未来全光纤RoF系统应用。     

基于渡越-切伦科夫辐射原理太赫兹横向场频率特性的实验研究

基于渡越-切伦科夫辐射原理,单色飞秒激光脉冲聚焦到空气中形成等离子体进而辐射出径向偏振太赫兹波,径向偏振太赫兹波经过紧聚焦后在焦点处产生太赫兹波横向偏振分量。为了有效调控太赫兹横向分量的频率分布和振幅特性,首先,通过理论分析太赫兹横向场分量在外加电压下的分布规律,给出不同角度的外加电压对太赫兹横向场频率强度的影响。然后,采用对等离子体施加外部电场的方法,得到一个最佳的纵向电场角度产生高强度太赫兹横向偏振分量。对发展太赫兹波特性的基础研究以及太赫兹技术的应用具有重要的参考意义。     

太赫兹波段的taper型多模干涉耦合器

随着通信技术的飞速发展,传统微电子行业出现瓶颈,人们更多地寄希望于集成光路来实现新的突破。硅基光子学因其自身材料以及制造工艺等方面的优点而备受关注。其中,硅基耦合器作为重要的硅基无源器件,是实现光的片上合束和分束的关键。多模干涉（multimode interference, MMI）耦合器具有损耗低,工艺容差性大且带宽较大等优点,是一种常用的集成光学器件。从MMI耦合器的自映像成像原理出发,利用导模传输分析法（guide-mode propagation analysis, G-MPA）对MMI中的模场分布情况进行分析,成功设计出基于470 μm高阻硅晶圆的太赫兹波段的taper型多模干涉耦合器。通过时域有限差分法（finite difference time domain method, FDTD）仿真优化其参数,实现了93.8%的耦合效率。     

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。     

基于金属阵列等离子体共振增强的太赫兹光电导天线设计

针对传统太赫兹光电导天线输出功率较低的问题,设计了一种基于金属阵列等离子体共振增强的太赫兹光电导天线,以提高太赫兹光电导天线的输出功率。通过对电磁波和半导体的物理场进行了理论分析,并建立了太赫兹光电导天线模型,利用COMSOL多物理场有限元软件进行了仿真实验研究。仿真计算了金属阵列等离子体共振增强结构不同周期宽度与高度下半导体基底对800 nm激光的光吸收量,得到了一种优化的金属阵列等离子体共振增强结构,然后计算该结构的太赫兹光电导天线的光电流,同时仿真计算了传统太赫兹光电导天线的光电流。研究结果表明:设计得到的金属阵列等离子体共振增强太赫兹光电导天线比传统太赫兹光电导天线光电流增强了约20倍,为等离子体共振增强的太赫兹光电导天线提供了依据。     

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。     

基于多个太赫兹时域光谱系统的物质识别方法

提出了一种基于多个太赫兹时域光谱系统(THz-TDS)的物质识别方法。将来自不同THz-TDS的光谱数据,通过小波变换去除基线及噪声等干扰信息,并用3次样条插值将不同的采样频率映射到相同的频率上,从而得到标准化后的光谱数据。将此光谱作为支持向量机(SVM)的特征向量,选择合适的核函数并用网格搜索法寻找最优SVM参数,最终得到98.33%的识别准确率。该方法对于准确识别物质具有重要的参考价值。     

基于单层超表面的双频太赫兹波线偏振变圆偏振转换器

提出了一种基于单层超表面的双频太赫兹波线偏振变圆偏振转换器。该偏振转换器采用两个不同尺寸的十字型金属缝阵列结构形成两个线偏振变圆偏振转换频点,从而实现双频的太赫兹波线偏振变圆偏振转换。计算结果表明,设计的偏振转换器能在0.760THz和1.068THz将一束线偏振太赫兹波转换为圆偏振太赫兹波。该双频的线偏振变圆偏振转换器仅由单层的超表面组成,结构简单易于制备,因而为操控电磁波和设计新颖的太赫兹波器件提供了参照。     

基于太赫兹超材料技术低浓度莠去津的快速检测

除草剂不恰当的处理会导致土壤、水和空气的污染,并且会通过环境进入食物链,影响人体健康。莠去津作为常见的除草剂,在世界范围内的水环境中经常被检测到。目前常用的检测方法主要依赖于大型仪器,一般需要复杂的预处理,并且对操作人员的技能要求较高,难以普及。随着光学材料的发展,太赫兹超材料技术如今已扩展到越来越多的领域,常用于识别物质的细微变化。采用太赫兹光谱技术结合超材料检测低质量浓度莠去津溶液（0,1,10,100,1 000和2 000μg/L）,测得的透射谱经过归一化处理以及拟合分析。实验结果表明,利用太赫兹光谱技术结合超材料能够精确检测到1～2 124μg/L的莠去津质量浓度变化,有效提高农药检测的灵敏度。