机器学习辅助太赫兹涡旋波超表面快速设计方法

太赫兹涡旋波产生与调控被认为是6G通信、雷达探测、新型传感器的关键技术之一。利用人工超表面产生涡旋波,相较于传统方法具有平面化、集成化、低成本的特点,但是面临复杂的参数设计和分析,需要耗费大量的时间和算力。为此,提出一种机器学习辅助太赫兹涡旋波超表面快速设计方法,通过长短期记忆(Long Short-Term Memory, LSTM)神经网络法快速得到满足相位需求的超单元并进行一体化组阵。利用该方法,设计构筑了三块模数l分别为1、2、3的太赫兹涡旋波超表面,仿真结果表明,设计的太赫兹涡旋波束模式纯度达到80%以上。机器学习辅助太赫兹涡旋波超表面设计方法具备精度高、快速、一体化设计等优点,有望运用于太赫兹幅度、相位、极化、轨道角动量等复杂波束调控领域。     

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。     

太赫兹及红外吸波超材料研究进展

随着超材料研究的不断发展,基于超材料结构设计的一系列太赫兹及红外吸波体引起了国内外广泛关注。由于具有高效的吸波性能,太赫兹及红外吸波超材料在现代隐身技术、节能、绝热、生物化学光谱、红外成像、传感和安检等领域具有广泛的应用前景。通过紧密跟踪国内外太赫兹及红外吸波超材料的最新研究进展,讨论总结了太赫兹及红外吸波超材料的吸波机理。由于材料依靠增强电场强度来实现对电磁波的吸收往往比靠材料本身的损耗吸收电磁波有更高的效率,与传统吸波材料的工作原理不同,超材料在太赫兹及红外波段主要依靠亚波长单元结构的设计,降低其等离子体频率,从而实现表面等离激元场增强效应(SPPs)。基于此,总结归纳了太赫兹及红外吸波超材料研究中3种有效降低等离子频率的方法,分别为金属表面的周期性结构设计、半导体材料的掺杂和新型碳纳米材料的引入,更加清晰地阐明了表面等离激元场增强效应实现方式。同时,对太赫兹及红外吸波超材料今后的发展给出了自己的认识。     

太赫兹波前调制超表面器件研究进展

超表面是一种由人工微结构组成的超薄平面器件,能够实现对电磁波振幅、相位以及偏振态的调控,具有体积小、重量轻、集成度高、可灵活操控电磁波等优势,在电磁波谱、波前调制中发挥着巨大的作用。综述了近年来基于超表面的太赫兹波前调制器件的研究进展。总结了基于Pancharatnam-Berry相位、基于局域表面等离子体共振(LSPR)、基于Mie共振的三种超表面单元结构对电磁波的振幅、相位调控机理,并讨论了实现高效率超表面的方法。之后,介绍了用于设计波前调制超表面器件的纯相位调制方法和复振幅调制方法。综述了在太赫兹波段典型的超表面波前调制器,包括单一功能、复合功能以及可调谐功能的超表面波前调制器件。在早期的研究工作中,设计的超表面可实现波束偏转、波束聚焦、全息成像、以及涡旋光束、自聚焦光束、洛伦兹光束等特殊光束产生等功能。为提高太赫兹器件的利用率,波分复用、偏振复用等功能复用的太赫兹超表面器件被提出。随着对太赫兹波前动态调控需求的增长, 一些主动的太赫兹超表面器件被提出并在实验上被验证。共有两种主动的超表面器件。其中一种主动超表面是通过将超表面结构与半导体材料或相变材料结合形成的,另一种是通过光泵浦硅片形成的全光器件。全光超表面在不用重新加工的前提下能够被重复使用。通过调整投影在硅片上的超表面图像即可动态操控太赫兹波前。全光超表面具有动态控制波束扫描和波束聚焦的能力,将来可应用于太赫兹通信、太赫兹雷达等领域。最后,对太赫兹波前调制超表面器件的发展趋势与应用前景进行了展望。     

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...     

基于开口圆环结构的太赫兹分束器设计

提出了一种基于开口圆环结构的太赫兹分束器,其由两种单元结构组成,这两种结构的区别在于是否存在底层连续金属层,这两种结构的顶层金属图案由开口圆环组成,介质层为聚酰亚胺薄膜。通过改变开口圆环的开口大小和半径排列构成了8×8的相位梯度超表面。当太赫兹波分别沿-z轴方向和+z轴方向垂直入射时,电磁波会被分成沿x,y轴对称但能量分布不同的四束波,两种入射模式能够得到两种不同的分束比。在0.7 THz下,当太赫兹波分别沿-z轴方向和+z轴方向垂直入射时,其分束比分别为0.8∶1和1.9∶1,实现对分束比的调谐。此分束器具有体积小、成本低的优点,可应用于太赫兹通信、太赫兹成像和太赫兹隐身等领域。     

动态可调的太赫兹超构表面

近年来,采用人工设计金属阵列的超构表面以实现对太赫兹波的调制受到越来越广泛的关注。设计了2种互补的亚波长金结构阵列超构表面,正、反结构2个超构表面对太赫兹波均有共振响应。利用光泵浦太赫兹时域透射光谱系统,通过控制泵浦光实现对太赫兹波的谱调制。仅需28 mW的外加泵浦光,反结构超构表面在0.91 THz处的振幅调制深度可达到95%。利用该反结构超构表面对太赫兹波的开关作用,进一步设计了太赫兹振幅全息图,希望利用该结构实现太赫兹波前的动态调控。初步的理论模拟验证了这一方法的可行性,可较好地实现对太赫兹波的动态调控。     

基于超材料的太赫兹波吸波材料

超材料是一种人工设计的具有周期单元阵列结构的电磁材料,具有超常物理特性。基于超材料的太赫兹吸波材料在太赫兹技术领域有许多潜在的应用。简述了超材料吸波材料的理论基础,综述了国内外在单频、双频、多频带和宽带太赫兹超材料吸波材料领域的研究进展,并展望了太赫兹吸波材料研究的未来发展方向和趋势。     

从远场到近场：太赫兹超表面波前调控

太赫兹是电磁波研究中的前沿热点之一，在通信、雷达、生物化学检测等方面有巨大的应用前景。人工电磁材料，特别是超表面的出现和发展，为太赫兹的高效波前控制提供了新的思路和方法。从太赫兹电磁场空间分布的角度出发，阐述了目前超表面在太赫兹波段波前调控的相关工作和方法，对比和讨论了太赫兹远场和近场波前调控的多类应用场景和调控方法，对太赫兹超表面波前调控的发展前景进行了展望，为研究太赫兹波前调控提供了新思路。     

基于几何相位的高透射型太赫兹超表面设计

文中提出一种基于几何相位的透射型超表面,通过对超表面单元结构的设计和排布实现了对入射圆极化波的波前任意操控和太赫兹涡旋波的产生。该超表面单元由典型的“三明治”型结构,即金属-介质-金属结构组成,顶层和底层金属图案均是由“C”型和矩形组成。利用几何相位原理,在工作频点下通过旋转金属结构对其相位进行调控,同时交叉极化透射幅度较高（>0.9）。通过对单元结构进行旋转编码,可以形成用于产生异常偏折现象、不同拓扑荷数涡旋光束的编码超表面。仿真结果表明,在0.63 THz处,设计的编码超表面能够对电磁波进行良好的调控,产生折射角为±50.1°和30°的异常折射现象,拓扑荷数l=±1两种模态的涡旋波束,在激光雷达和太赫兹大容量通信等领域具有潜在的应用价值。     

Design of multi-channel terahertz beam splitter based on Z-shaped metasurface

A reflective beam splitter is proposed and verified. The unit cell of the beam splitter is composed of a metal pattern, a dielectric substrate, and a metallic ground. Each subarray structure of the device is composed of four unit cells, which are gradually rotated at 45°. The horizontal and vertical subarrays form a 4×4 gradient metasurface supercell. In the operating frequency band, the incident linearly polarized terahertz wave is reflected and divided into four beams of approximately equal power but different propagation directions. The proposed terahertz beam splitter based on metasurface has the advantages of small size, low cost and easy processing, and can be applied to terahertz stealth and imaging.     

亚波长线栅太赫兹偏振分束器的研究

为了提高工作在太赫兹波段偏振分束器的性能,采用激光诱导与化学镀铜的方法在聚酰亚胺衬底上制作了亚波长周期金属线栅太赫兹偏振分束器,并以返波振荡器作为太赫兹辐射源搭建了偏振分束特性测试系统。当入射波频率为340GHz、入射角为45°时,测得在入射波偏振在0°～180°变化过程中,该偏振分束器具有良好的偏振分束特性,透射和反射的消光比分别为27.3dB和10.5dB,插入损耗分别为0.13dB和0.32dB;用太赫兹时域光谱系统测得偏振分束器在0.2THz～1.5THz频域内透射消光比大于18dB。结果表明,测试结果与时域有限元方法模拟结果基本吻合。     

Terahertz Wave Polarization Beam Splitter Using Asymmetrical Coupler

This study has proposed and numerically demonstrated a compact terahertz wave polarization beam splitter. The splitter is built by using a asymmetrical directional coupler consisting of a bend waveguide and a slot bend waveguides and achieves a high extinction ratio of 24.88 dB and 16.55 dB for cross and through ports. The optimal coupling region length is found to be 26 μm. By using such a polarization beam splitter, the size of the terahertz wave system could be reduced significantly. The simulation results show that the designed polarization beam splitter can split TEand TM-polarized terahertz wave into different propagation directions with high efficiency over the terahertz wave frequency range from 9.40 THz to 9.65 THz. The device obtained is readily used for a polarization diversity terahertz wave integrated circuit field, particularly for platforms with slot waveguide.     

新型太赫兹波束分离器的设计

近年来,随着射电望远镜外差式阵列接收机的发展,基于相位光栅技术的波束分离器在亚毫米波长范围内得到了重要的应用,它能够将单个本地振荡器信号经过分束同步传送到超导SIS/HEB混频器阵列接收机中。由于太赫兹频段相位光栅的特征尺寸在亚微米级,其加工精度直接影响器件性能,给微加工技术带来巨大挑战。基于此,笔者所在课题组结合相位编码超材料技术设计了一种新型的太赫兹四波束分离器,仅需利用单层超材料编码单元便可实现宽带电磁波束的分离,波束转换效率高,结构简单且易于加工,同时反射波束的方向可灵活调节。为了与实际测试系统相匹配,着重研究了不同入射角度下的波束分离,并得到了最佳的斜入射角度范围（小于30°）,相对工作带宽可达52%,反射的四个波束功率相差不超过10%,这为太赫兹频段射电望远镜超导混频器阵列接收机的本振信号功率分配提供了新的解决方案,也有利于其他新型太赫兹功能器件的设计和发展。     

Ultra-compact 1 × 8 Channel terahertz Wave Power Splitter

Relying on 1?×?2 photonic crystal waveguide and photonic crystal resonator, a compact eight-channel terahertz wave power splitter is proposed. The mechanism of such a device is further theoretically analyzed and numerically investigated with the aid of the plane wave expansion method and the finite-difference time-domain method. With an appropriate design, the proposed power splitter can split the input terahertz wave energy equally into eight output ports at the frequency of 0.667 THz. Furthermore, the total size of the present device is of 4.33 mm?×?3.74 mm. Due to its small size, the multi-channel terahertz wave power splitter has practical applications in the terahertz wave integrated circuit fields.     

利用超表面天线阵列产生太赫兹涡旋光束

为了研究1阶和2阶模式下的非连续性相位L型天线的超表面阵列特性,采用异常透射的散射场理论,设计了一种L型天线结构,控制天线的几何参量,选取阵列单元组,使得其覆盖相位超过2π。并根据不同的拓扑荷,设计1阶和2阶涡旋相位板,产生不同阶数涡旋光束。结果表明,用太赫兹线偏光垂直入射时,天线单元垂直偏振透射方向的模拟仿真效率达到55%左右;相位覆盖0~2π和0~4π时,其线性阵列的异常透射角不同,分别为-14.7°和-30°,其结果与广义斯涅耳定理一致。此研究对太赫兹涡旋光束的器件研究有重要的应用价值。     

基于液晶的太赫兹反射式波束扫描天线

提出了一种基于液晶的太赫兹电控反射式移相器及其构成的波束扫描阵列天线。通过采用液晶调控的开槽结构移相器,解决了液晶调控过程中谐振层覆盖面不足造成的液晶取向不均、边缘效应和饱和电压增大等问题。设计了工作在380 GHz三开槽的移相器,对谐振频点的表面电流分布和谐振频点进行了仿真分析。数值计算结果表明当液晶相对介电常数在2.47~3.26范围内变化,377~392 GHz频率范围内移相器能够实现360°的相移。采用三开槽结构反射相移单元,设计了工作于380 GHz的电控波束扫描阵列天线,实现了30°范围内的一维波束扫描,主瓣增益大于20 dBi。     

Optically pumped submillimeter wave laser with Michelson interferometric output coupling

We report the performance of an optically pumped submillimeter wave laser incorporating a Michelson interferometric output coupler consisting of three mirrors and a metal mesh beam splitter. 10.33-μm radiation from a pulsed CO2TEA laser was used to pump NH3for generating submillimeter wave radiation at 281 μm. Optimum output was achieved by coupling out 59 percent of the radiation per pass using a 250-lines-per-inch mesh at a phase angle of 49°. The submillimeter laser operated in the TEM00mode and was tunable over its free spectral range of about 350 MHz. Translation of the coupling mirror allowed optimization of laser output.     

偏振可调的太赫兹光电导天线设计北大核心

提出了一种偏振可调的太赫兹光电导天线,其结构由四个弧形金属电极、低温砷化镓衬底和氮化硅抗反射涂层构成。通过对光电导天线的工作原理分析,可以发现弧形金属电极结构决定天线的辐射偏振,且衬底的载流子迁移率、载流子寿命和衬底材料对激光的吸收直接影响天线的辐射特性。利用COMSOL软件对该光电导天线进行建模仿真,其结果表明该光电导天线可以在45°方向倍增地辐射线偏振太赫兹波,且辐射强度相较于常规光电导天线提高了30%,辐射带宽高达10 THz。所设计太赫兹光电导天线具有偏振可调、结构简单和易于加工等特点,在太赫兹光谱检测领域具有广阔的应用前景。     

金属雷电分流条对雷达罩电性能的影响分析

论文建立了天线罩分流条电磁传输研究模型,通过仿真和实验,对比分析了雷电分流条的电磁波传播特性,特别研究了中空十字型和十字型金属分流条的电磁波传输机理,以及金属分流条的材料、长度、宽度、厚度和电磁波不同入射方向对雷达罩电磁波传输性能的影响。研究结果表明:十字型金属雷电分流条对天线罩的电磁传输影响严重,而设计合理的中空十字金属分流条可以有效传输电磁波;另外,金属分流条的厚度和常用金属材料对电磁波传输影响不大,主要影响其导电能力和重量;在保证天线罩雷击安全的前提下,调整金属条长度可以使天线罩电性能达到最佳;金属条的宽度对电磁波传输性能影响明显,宽度越大,天线远场方向图主瓣增益越大;随着入射角的增大,方向图主瓣增益在减小,入射角超过30°时,雷电分流条对天线罩的电磁传输为负影响。