高灵敏检测传感芯片应用于脑胶质瘤疾病检测

太赫兹波因其指纹谱识别和无损探测等特性可被应用于物质的快速定性与定量识别。现阶段太赫兹技术方法对物质含量检测的下限在毫克量级,然而实际生物医学样本中待测物的浓度通常在微克量级甚至以下,现有方法限制了其检测灵敏度和可行性。研究中以脑胶质瘤里的特异性物质肌醇(MI)和γ-氨基丁酸(GABA)为例,基于电容电感效应,设计了一款增强太赫兹检测灵敏度的超材料芯片。然后通过测试MI和GABA在不同浓度下的太赫兹光谱,证明其各自随着浓度的变化,芯片谐振峰频移呈现不同的规律,从而进行有效的定性识别,且对于MI和GABA的已知样品,可以根据频移规律实现定量分析。根据实验数据计算可得,所设计的芯片对这两种样品含量检测下限分别为3.457 μg和2.552 μg,与传统压片法的检测极限相比提高了三个数量级。这些结果对后期生物医学中定性和定量检测疾病的微量特异性物质具有重要参考价值。     

基于超材料的太赫兹技术检测蔬菜中的水胺硫磷

水胺硫磷作为一种高效广谱农药常用于蔬菜害虫防治，但其高毒性、易残留的特点对人体健康构成巨大风险，为此本文提出利用基于超材料的太赫兹技术检测蔬菜中低质量浓度的水胺硫磷。根据开口谐振环原理设计了一款高性能超材料，其品质因数Q达到65。通过测试白菜叶中不同质量浓度水胺硫磷在超材料下的太赫兹频谱，建立了谐振峰频移量与质量浓度的指数拟合模型，其决定系数R²达到0.99765，实验检测质量浓度最低至0.00087 mg/L。相较于传统方法，超材料结合太赫兹技术不仅具有更低的检测限还简化了预处理环节。因此本文提出方法可高效、快速地检测蔬菜中低质量浓度的水胺硫磷。     

基于光栅结构太赫兹谐振器的醇水混合液检测

利用基于柔性衬底的谐振器透射式太赫兹时域光谱(THz-TDS)系统,对不同体积分数的乙醇-水混合液进行检测。随着乙醇体积分数增加,谐振频率出现蓝移,第二谐振峰的偏移量大于第一谐振峰的偏移量,最大偏移量达到52 GHz,灵敏度约为100 GHz/RIU。由于谐振器的柔性和极低的样品消耗(约20μL),这种方法使THz-TDS和太赫兹谐振器在生物领域的应用成为可能。     

太赫兹检测技术在炸药检测中的应用

介绍了太赫兹辐射光谱技术与成像技术在炸药相关检测领域的几个实际应用方向：太赫兹辐射对炸药所处的状态非常敏感,温度的不同和晶型的不同都会在太赫兹光谱中有所反映,不同晶向的炸药样品吸收特征也有所差别,可用于炸药精细结构的检测分析;利用太赫兹时域光谱装置测量各种单质化合物的光谱,再采用线性回归技术,对测量的混合化合物太赫兹谱进行分析,能得到混合材料的成分和相对含量,可用于研究混合炸药在不同状态下的表面组分变化情况;利用水分子对太赫兹辐射强烈的吸收特性,能够有效地对库存炸药表面水分布的变化情况进行无损检测与评价。这些研究方向可有效地应用于炸药的无损检测当中,为炸药状态的无损评价提供新的思路与方法。     

一种基于THz-TDS技术用于食品添加剂高灵敏度区分的超材料传感器

论文提出了一种用于食品工业中常用添加剂（肌醇、亮氨酸、牛磺酸）高灵敏度区分的太赫兹超材料传感器。该传感器由带有双尖端的开口谐振环（Split Ring Resonator, SRR）阵列组成。液体样品的不同浓度和种类对应于传感器不同的频率偏移,可以被用于液体样品浓度和种类的区分和辨别。该超材料传感器使用微纳工艺制作在对太赫兹波透明的石英基板上。利用太赫兹时域光谱仪（THz-TDS）系统分别测量了浓度为0.2、0.4、1.5、2、3和4 mg/ml的液体样品。结果表明,所提出的超材料传感器能检测的最低样品浓度为0.2 mg/ml。同时,该传感器也可以实现相同浓度,不同种类液体样品的辨别。该研究为基于开口谐振环结构的太赫兹超材料传感器在食品安全领域的应用提供了新的参考。     

可调谐极化不敏感太赫兹吸收器的设计

太赫兹吸收器广泛应用于军事装备及传感仪器等研究领域,因此,提出了一种四重对称结构的极化不敏感太赫兹超材料吸收器,并通过改变结构尺寸以及电流分布分析了该结构的吸收机理及影响因素.实验结果表明,该吸收器的谐振频率处于太赫兹频段且吸收率可达到99.98％.为了扩大该太赫兹吸收器的应用范围,进一步提出了两种频率可调的极化不敏感...     

可调谐超材料太赫兹多频带阻滤波器理论研究

超材料的发展为太赫兹技术提供了良好的载体,使太赫兹器件得到飞速发展。滤波器作为其中重要的功能器件,实现了太赫兹波段的单频和多频滤波。文章提出了一种新型超材料太赫兹滤波器结构,该结构可同时应用于LC谐振和偶极谐振,实现了太赫兹滤波。重点对几何参数对器件滤波性能的影响规律进行了研究,通过优化滤波器关键结构参数,实现了良好的双频带和三频带太赫兹滤波。     

基于混合机器学习法的太赫兹波鉴别草种的研究

利用太赫兹时域光谱技术对黄耆类牧草种子样品进行测试,得到5种常见沙打旺牧草种子在0.2～1.2 THz有效频率范围内的太赫兹时域谱,然后通过快速傅里叶变换得到了各牧草种子样品的吸收系数、折射率等光学参数.研究后发现:在有效频率范围内,样品时域谱的峰值强度和延迟时间均不同,且每条谱线的平均吸收系数和标准差也有明显差异,各...     

基于太赫兹时域光谱的壁画信息提取的可行性研究

采用太赫兹时域光谱技术对传统中国壁画的部分制作流程进行了分析,获得了壁画制作每个流程的太赫兹时域反射谱。研究了传统中国壁画在0.2～1.0 THz频率范围内的太赫兹光谱特性,得到了其在室温环境下的太赫兹吸收谱和折射率。结果表明,各样品的折射率平均值和吸收系数的峰值频率差异显著。研究结果能为太赫兹时域光谱技术在壁画信息提取领域的应用提供参考。     

基于SrTiO_3的频率可调谐太赫兹超材料吸波器（英文）

基于温度敏感材料钛酸锶(SrTiO3)提出了两款频率可调谐太赫兹(THz)超材料(MM)吸波器。由于SrTiO3材料的复值介电常数与外界温度相关,因此基于SrTiO3材料的太赫兹超材料吸波器的谐振频率可随外界温度变化。一款是基于十字金属谐振结构和SrTiO3介质层实现的,在200～400 K的温度范围内,其谐振频率可在1.62～2.44 THz的宽频带范围内实现主动调谐。另一款超材料吸波器通过在十字环金属谐振结构内填充SrTiO3材料来实现,而中间介电层仍然采用常见的聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料。当外部温度从200 K变为400 K时,谐振频率从1.11 THz移至1.58 THz,频率偏移达到了470 GHz,实现了频率可调的太赫兹超材料吸波器。可调谐超材料吸波器的实现可进一步扩展超材料吸波器的应用领域,从而更好地适应如太赫兹成像、太赫兹检测、传感和隐身等各种应用。     

太赫兹波段硅片组偏振器的设计及其应用

为了克服目前应用于太赫兹波段的偏振器件成本较高、加工难度较大、易产生法布里-珀罗效应回声等缺点,利用平行堆叠硅片的布儒斯特效应,设计了一种新型的适用于太赫兹波段的硅片组偏振器件。根据不同油品中手性化合物浓度不同对太赫兹波的旋光性不同的原理,用该偏振器对97#汽油、柴油及其混合油样品的旋光性进行测量,实现了混油检测。结果表明,设计的偏振器消光比高于1059、透过率高于99%、适用频段为0THz~3THz; 利用硅片组偏振器对97#汽油、柴油以及两种按不同体积分数混合的油品进行旋光性的测量,实现了对油品的定性和定量检测。该偏振器件的设计满足太赫兹波段的偏振需求。     

Highly Sensitive Terahertz Sensing of Glycerol-Water Mixtures with Metamaterials

We demonstrate the highly sensitive terahertz (THz) sensing of a water-glycerol mixture poured on a metamaterial surface using reflection-based THz time domain spectroscopy. The reflectance at the resonant dip frequency changes significantly with glycerol concentration. The detection sensitivity is about 8 times higher than that compared to the case without a metamaterial structure. We also investigate how sensitivity depends on the Q factor of the metamaterial resonance for highly absorptive media, such as a water solution in the THz region.     

基于一步转移石墨烯超材料吸收器的抗生素类药物浓度表征

由于现有抗生素浓度检测方法中都需要加入其他试 剂,容易对实验造成干扰,影 响测定结果的可信度。因此,提出了一种基于一步转移石墨烯超材料吸收器对不同浓度 的抗生素进行表征。通过在超材料吸收器上转移一层单层化学气相沉积的石墨烯后,石墨烯 －超材料吸收器异质结构对于表面添加的物质非常敏感。实验结果表明,在太赫兹频段内, 利用石墨烯－超材料吸收器异质结构对不同浓度的抗生素进行检测会引起石墨烯－超材料 吸收器异质结构谐振峰不同程度的蓝移,通过谐振峰蓝移与浓度的关系可以实现不同类型, 不同浓度抗生素的表征。     

基于改进波形太赫兹雷达的多目标检测

太赫兹雷达在测点目标时具有极高的分辨力。然而在多目标条件下,使用经典的线性调频波形调制可能会引起错误的差频组合,从而出现虚假目标。为此,提出一种工作在0.22 THz频段的改进波形,它由梯形波与三角波两部分组成。通过梯形波的上、下扫频计算速度-距离的模糊范围,并通过恒频段检测目标的相对速度。由于速度-距离交叉点的不匹配,虚假目标仍存在,而后续的不同调频斜率的三角波则能在其基础上完全剔除虚假目标。文中给出了这种体制的太赫兹雷达系统的架构,并通过近乎现实的仿真,证明在这种新型波形体制下,太赫兹雷达差频配对的准确度将得到大幅度提升。     

太赫兹衰减全内反射油品检测系统中的棱镜设计

为了获得油品在太赫兹波段的衰减全内反射光谱,实现对油品的在线检测,利用光的折射定律,对太赫兹衰减全内反射系统中的核心部件——衰减全内反射棱镜进行了设计和实验。设计了单次反射棱镜,根据不同物质对太赫兹波的吸收程度不同,将单次反射棱镜用于太赫兹衰减全内反射系统,并进行了水和成品油的测试实验,取得了样品的光谱数据;进一步设计了多次反射棱镜,以增加油品对太赫兹的吸收,并对其进行了光学仿真。结果表明,经过单次全内反射,油品对太赫兹的吸收非常有限,无法实现对成品油的检测。该研究对下一步的油品检测是有帮助的。     

低维材料太赫兹探测器研究进展（特邀）

太赫兹技术在无损检测、生物医学、工业检查、环境监测、局域通信和国防安全等领域具有广阔的应用前景。太赫兹系统中太赫兹探测器是其核心器件,其性能决定了太赫兹系统的应用市场,是推动太赫兹技术进一步发展的重要研究方向之一。但是,太赫兹波段较低的光子能量使得实现高速、灵敏的太赫兹探测颇有挑战。随着纳米技术和新材料制备技术的进步,低维材料的高迁移率、宽响应频带等性能为太赫兹探测器提供了新的机遇,低维材料太赫兹探测器得到广泛关注,其主要优势是高灵敏度、宽频带和低噪声,在近年来取得了显著的研究进展。虽然太赫兹探测器已经取得突破性发展,但各类太赫兹探测器仍然存在一些问题。在此背景下,文中从太赫兹探测器的分类出发,简要介绍了测辐射热计、热释电探测器、等离子体共振探测器和热载流子调控探测器的物理机制以及最新研究进展,并展望了未来低维材料太赫兹探测器的发展方向。     

表面等离子体共振海上溢油预警实验装置设计

为了实现对早期、小规模溢油检测及预警, 采用对外界介质折射率微小变化敏感的表面等离子体共振传感技术, 设计搭建了一套小型溢油检测实验装置, 创建了一个基于表面等离子体共振设计的GUI界面用于选取传感参量, 并通过C++编译了一套具有数据采集、存储、处理以及显示功能的软件用于数据处理以及提前预警, 进行了理论分析和实验验证, 取得了折射率为1.4451, 1.4774, 1.5299的原油样品的表面等离子体共振响应数据。结果表明, 实验数据与仿真结果相符, 该装置可用于海上溢油检测实验研究, 其软件设计满足预警需求。这一结果对海上溢油检测是有帮助的。     

金属开口谐振环结构的太赫兹波吸收特性

太赫兹调制器、滤波器、吸收器是太赫兹波应用领域的关键器件,而金属开口谐振环是这些器件的常用结构。通过仿真及实验的手段,系统地比较了不同亚波长金属开口谐振环结构的太赫兹波吸收特性。设计并制备两种不同形式的亚波长金属谐振环,利用时域有限差分（FDTD）的模拟方法与光泵浦太赫兹探测（OPTP）的实验方法,分析了电磁波入射谐振环时,TM与TE模式下的太赫兹透射特性。发现在TM模式下,吸收峰峰值均反比于谐振环的等效电容值与等效电感值。而在TE模式下,由于偶极子振荡长度相同导致了两种谐振环吸收峰峰值相近。此外,改变外部光激励条件时实验结果表明TM模式下,单开口环比双开口环对光激励更敏感:泵浦光功率为5 mW相比无泵浦光时,单开口环透射率增加了80%,而双开口环透射率仅增加了43%。     

基于双开口环型的太赫兹超材料传感器设计

设计了一款可用于检测材料折射率及厚度的双开口环型太赫兹超材料传感器,其结构由双开口方环与圆环嵌套的超材料结构和聚酰亚胺衬底两部分构成.当太赫兹波垂直入射超材料表面时,该传感器结构在0.8～1.8 THz范围内形成三个高Q值谐振峰(中心频率分别为f1,f2和f3).通过探讨超材料结构表面电流分布与三个谐振峰形成的关系,观察到超材料结构对入射太赫兹波的不同响应特性导致产生不同的表面电流分布.此外,还对该传感器在折射率传感和厚度传感方面的应用进行了探究.在待测物厚度一定的情况下,该传感器在谐振频率f1,f2和f3处的传感灵敏度分别可达170,103和119 GHz/RIU,均具有优越的传感特性,可利用其多谐振峰进行高灵敏度折射率传感.这种高灵敏度的多谐振峰折射率传感器可以检测到待测分析物的微小变化,在生物化学检测领域具有广阔的应用前景.