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。      

Metamaterial Absorbers in Terahertz Band

In recent years, a great deal of effort has been made to a create terahertz （THz） wave absorber based on metamaterials （MM）. Metamaterials absorbers have a variety of potential applications including thermal emitters, detector, stealth technology, phase imaging, etc. In this paper, we firstly introduce the basic structure and work principle of the THz MM absorbers, and a transmission line model is developed for devices analysis. To expand the application of THz absorbers, dual-band and broadband THz MM absorbers are designed, fabricated, and measured. At the end of this article, the future development trends of MM absorbers are discussed.     

基于超材料的连续太赫兹波透射特性研究

以基于超材料的太赫兹波透射为目的,设计并制作了四种亚波长开环共振（SRR）超材料。采用连续太赫兹波作为入射激光源,实验测量了它们在1.04 ~4.25 THz波段的功率透射属性,并采用CST Studio进行仿真,结果显示这些超材料存在一个位于2.52 THz的全局透射峰和多个局部透射峰。全局透射峰与SRR阵列的微结构和图形配置等参数有关。为了寻找一个具有较高透射效率的太赫兹感应阵列,比较了四种不同超材料微结构的归一化功率透射性能和感应差别。从这些差别中找到特定图案配置的超材料器件用于太赫兹波感应具有借鉴意义。     

太赫兹可编程超材料的研究进展和在单像素成像中的应用

人工电磁超材料展现了强大的电磁波调控能力. 随着可编程超材料的提出,超材料向数字化、智能化的方向不断发展. 本文首先回顾了太赫兹可编程超材料的研究进展,重点讨论基于半导体、液晶等可调材料的太赫兹可编程超材料的设计方法、调控原理及应用. 然后,介绍了太赫兹可编程超材料在单像素成像中的应用,即利用电控和光控可编程超材料实现太赫兹光的空间编码调制,结合压缩感知等成像算法,实现太赫兹单像素成像. 最后,对太赫兹可编程超材料的发展趋势和应用前景进行了展望.     

太赫兹波导发展现状与展望

太赫兹波具有良好的穿透性、低能性和宽带性,在高速空间通信、环境监测、外差探测、医学探测、无损检测和国防安全等领域具有重要的应用前景。波导传输技术和功能器件是太赫兹系统不可或缺的重要组成部分,太赫兹波导的性能决定了太赫兹系统的信号传输效率和集成度,引起人们的研究兴趣。近年来,太赫兹波导的发展取得了长足的进步,从普通的金属空心波导到金属线波导、介质光纤,再到最近的人工表面等离激元波导、石墨烯、铌酸锂等新型波导,它们展现出了各自的优势,令人振奋。该综述全面介绍了太赫兹波导领域的发展及研究近况,并对其未来应用进行了展望。     

High Resolution Waveguide Terahertz Time-Domain Spectroscopy

Terahertz time-domain spectroscopy accesses the frequency range between 100 GHz and 5 THz by using the coherent generation and detection based on femtosecond laser sources. On the way to obtain fingerprint absorption spectra of molecular solids, terahertz waveguides have proven to be a valuable tool to extend the results to narrow and high resolution linewidths of crystalline solids. We will discuss the development, properties and applications of terahertz waveguide geometries for spectroscopic applications, in particular high-resolution measurements using parallel-plate waveguides.     

太赫兹传输波导器件研究进展

随着太赫兹技术的发展,太赫兹传输波导器件的研究成为待解决的重要问题之一。太赫兹波位于微波与红外光之间,寻找高效的传输、耦合器件一直是研究人员的目标。主要介绍了太赫兹传输波导研究现状,并总结了各类型太赫兹波导的优势与不足。根据材料与结构分别对金属波导、介质波导的研究进展进行了分析。其中金属波导包括裸金属线波导、微结构波导、空芯波导以及平板波导,介质波导包括介质空芯波导、多孔芯波导以及微结构波导。最后分别对太赫兹传输波导未来需要解决的研究方向进行了展望。     

Terahertz Focusing and Polarization Control in Large-Area Bias-Free Semiconductor Emitters

We show that, when large-area multiplex terahertz semiconductor emitters, that work on diffusion currents and Schottky potentials, are illuminated by ultrashort optical pulses they can radiate a directional electromagnetic terahertz pulse which is controlled by the angular spectrum of the incident optical beam. Using the lens that focuses the incident near-infrared pulse, we have demonstrated THz emission focusing in free space, at the same point where the optical radiation would focus. We investigated the beam waist and Gouy phase shift of the THz emission as a function of frequency. We also show that the polarization profile of the emitted THz can be tailored by the metallic patterning on the semiconductor, demonstrating radial polarization when a circular emitter design is used. Our techniques can be used for fast THz beam steering and mode control for efficiently coupling to waveguides without the need for THz lenses or parabolic mirrors.     

太赫兹波导研究进展

太赫兹技术在下一代通信、生物成像、质量监测等领域应用潜力巨大,高品质太赫兹波导的研制使轻量化、小型化太赫兹系统成为可能,是推动太赫兹技术发展的关键。本文根据不同基材,将太赫兹波导分为金属波导、聚合物波导及复合波导,对其发展情况进行梳理,并对太赫兹聚合物波导这种高柔性、低成本导波技术进行重点介绍,讨论其不同的导光机制;最后对太赫兹导波技术进行了总结,并针对制约太赫兹波导商品化推广应用的瓶颈问题进行了初步探讨。     

太赫兹波段电磁超介质的应用及研究进展

太赫兹波和电磁超介质是电磁学领域关注的热点.太赫兹波与电磁超介质相互作用可以实现对太赫兹波的操纵和调控,有望填补"太赫兹空白".介绍了太赫兹波段电磁超介质的研究进展,包括电磁超介质电磁性能可调谐的实施途径,电磁超介质在太赫兹功能器件方面的应用(调制器/开关、传感器/探测器、滤波器、偏振元件和吸波器),太赫兹波段表面等离...     

太赫兹超常材料及应用

超常材料具有人工设计的结构,并有自然材料所不具备的超常物理性质。超常材料的电磁响应灵活可调,对太赫兹(THz)技术意义非凡。THz超常材料的实现和迅速发展为太赫兹技术的发展和应用带来了新的机遇。总结了THz波段超常材料的研究进展,包括THz波段超常材料的构造及制备、基于超常材料的THz波器件以及超常材料在THz波技术中的其他应用。     

渐近式太赫兹多孔光子晶体光纤模式特性研究

为了研究太赫兹波在新型渐近式多孔光子晶体光纤的传输特性, 采用有限元数值分析法进行了数值仿真, 分析了有效模态面积、纤芯孔隙度对有效材料损失及限制损耗、功率分布分数等波导特性的影响。结果表明, 在单模传输范围0.5THz~0.85THz内, 通过在光纤上引入渐近矩形阵列气孔和椭圆空穴, 实现了零色散、0.0532高双折射、有效材料损失为0.1157/cm, 限制损耗低至1.47×10-4dB/cm。此研究可用于制造极化THz波导、滤波器等, 对新一代太赫兹波导实现长距离、高性能传输的研究具有重要意义。     

A Brief Review on Metamaterial-Based Vacuum Electronics for Terahertz and Microwave Science and Technology

Metamaterials, which enable us to realize novel physical effects that cannot be achieved using natural materials, have been extensively studied in recent years and significant progress has been made, especially in the field of optics. This game-changing concept has also initiated a rich variety of research activity in vacuum electronics. Here we review the recent development of metamaterial-based vacuum electronics for terahertz (THz) and microwave science and technology. The reversed Cherenkov radiation (RCR) in double-negative (DNG) metamaterials predicted by Veselago back in the 1960s has been experimentally verified in the microwave frequency range by utilizing specially designed DNG metamaterials. The interaction of an electron beam (e-beam) with DNG metamaterials may lead to the realization of novel applications such as microwave and THz radiation sources, accelerators, and even the visualization of invisibility cloaks. Smith–Purcell radiation (SPR) has recently received renewed interest owing to the development of metamaterials and the concept of spoof surface plasmon polaritons, as discussed in this review, and recent results on e-beam-induced directional and wide-band THz radiation with sharp multiple peaks from a graded grating, as well as directional and monochromatic special SPR and their possible application to THz orotron devices, are also reviewed.     

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。     

高灵敏度太赫兹超材料对于生物组织切片的研究

太赫兹波在生物医学领域具有非电离、无标签、实时等优点,因此在该领域具有巨大的发展潜力。为了解决介电常数相近的生物组织之间的区分问题,设计并制造了一种具有Fano共振特性的超材料,并进行太赫兹反射成像实验。模拟和实验结果显示,在0.82 THz下,该超材料的反射灵敏度达到132 GHz/RIU。该超材料不仅可以提高标准成像分辨率板的对比度,还可以将肌肉组织和脂肪组织之间对比度提高约7.5%。这些结果表明,该超材料能够显著提高生物组织切片图像的对比度,为今后太赫兹应用于临床组织样本奠定了实验和理论基础。     

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。     

基于SRR的超材料太赫兹调制器结构设计与调制深度仿真

电磁超材料可用于构建具有控制太赫兹辐射通断功能的太赫兹强度调制器.利用COMSOL仿真软件,通过模拟仿真,研究了基于开口谐振环(SRR)“工字型”超材料太赫兹调制器关键功能结构对器件透射光谱的影响规律,并以此完成了高调制深度器件的结构优化设计.仿真结果表明:优化后器件调制深度达到了74％.     

各向异性超材料中太赫兹波的偏振转换

各向异性超材料可以控制太赫兹波的偏振态,实现入射太赫兹波的偏振转换。为了获得非手性各向异性超材料的透射响应与本征偏振复透射系数的关系及其入射偏振依赖性,在太赫兹时域光谱系统中测量了等臂长L形结构超材料在不同偏振角下的正入射透射谱,获得并分析了透射太赫兹波的偏振转换率和偏振态,所得结果与基于琼斯矩阵和坐标变换计算的结果一致。在0.7 THz~1.3 THz频率范围内可实现约20%的偏振态能量转换效率。在L结构和双L结构的偏振转换透射谱中分别观察到了宽带响应和多频共振响应,表明结构改变对太赫兹波透过特性的敏感性和可操控性。所得到的结果可用于太赫兹功能器件的设计、表征和优化。     

太赫兹波在金属镀层空芯圆波导中的传输特性

文章理论分析了太赫兹波在金属镀层空芯圆波导中的传输特性.比较了在内直径为2mm的空芯圆波导中分别镀金、铅、镍不同金属时不同入射频率的太赫兹波的理论衰减常数,计算了镀不同金属而入射波波长一定的情况下波导中主模即最低模TE11模的衰减常数随波导内直径的变化情况.进一步研究表明Au,Ag,Cu均可作为空芯圆波导中优良的金属镀层以用于太赫兹波的低损耗传输.     

太赫兹近场成像技术及进展

太赫兹(THz)波具有能量低、穿透性强、频带宽等特点,因而太赫兹成像技术在无损检测、生物医药、安全检测等众多领域得到了广泛应用,在实际应用中如何提高太赫兹成像的分辨力变得越来越重要。由于太赫兹近场成像技术可突破衍射极限,获得分辨力为亚微米甚至是纳米量级的高质量图像,基于近场技术的高分辨THz成像技术相继被提出,并得到了进一步的应用。本文首先阐述了太赫兹近场成像的基本原理;其次总结了近场成像进展及增强方法;最后对太赫兹近场成像的未来进行了展望。