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%。     

基于太赫兹亚波长超材料的偏振不敏感调制器的理论研究

对太赫兹波超材料调制器的偏振响应进行了研究.提出并计算仿真了两种特殊结构的调制器,包括中心十字结构和双开口环结构.传统的开口环结构的调制器是偏振敏感的,而所研究的两种结构都是偏振不敏感的.中心十字结构是一个完全对称的金属结构,并具有完美的偏振不敏感特性.对于双开口环结构,它没有达到完全的偏振不敏感,但从太赫兹偏振透射率曲线来看,这种差别可以忽略不计.此外还模拟了双开口环的表面电流分布,并提出了产生两个谐振吸收波谷的主要机制.     

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...     

基于太赫兹超材料的牛血清白蛋白传感器研究

太赫兹波具有非电离、对非极性物质穿透性高、对氢键等弱共振敏感等特性,是生物、材料、化学等领域的重要研究对象。蛋白质、糖类等生物大分子的转动频率和基团的振动频率以及分子之间弱相互作用的特征频率恰好处于太赫兹频段,这赋予了太赫兹光谱技术在生物医学领域中极大的发展潜力。然而,由于待测物尺寸一般小于太赫兹波长（0.03～3.00 mm）,微量的待测物难以引起谱线的改变,太赫兹光谱检测灵敏度较低。能够灵活操控电磁波特性的超材料为解决上述问题提供了新的思路,通过设计不同的结构及参数,能够得到谐振频率位于太赫兹波段的超材料,微量的待测物即可引起谱线的明显变化。基于共振型太赫兹超材料构建了牛血清白蛋白（BSA）传感器,实验结果表明,当BSA溶液的体积质量为2.0～8.0 mg/mL时,传感器共振频率偏移量与溶液浓度呈线性关系,传感器的最低浓度检测限为0.3 mg/mL。     

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。     

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。     

太赫兹波超材料吸波体的特性分析

超材料吸波体通常是由一些在介质基底表面上周期分布的亚波长开口环谐振器（SRRs）组成,它们的吸收率在很大程度上取决于顶层SRRs的结构细节及介质的材料性质。利用时域有限积分法（FITD）对太赫兹波的超材料吸波体进行传输特性研究,分析了PI介质厚度、单元尺寸、开口环谐振器宽度、顶层silicon的电导率和PI介质的介电常数对太赫兹波超材料吸波体吸收峰位置和吸收率大小的影响。此超材料吸波体的特性研究对太赫兹波调制器、滤波器、吸收器及偏振器等器件设计和制备具有一定的指导意义。     

基于金属-介质-金属结构的太赫兹超材料宽阻带滤波器

为了实现具有多频或宽频特性的太赫兹超材料滤波器,通常将相同或不同的谐振结构在同一平面内进行组合或者进行多层堆叠.通过将尺寸相同的C-型谐振单元分别置于中间介质层的两端,实现了基于金属-介质-金属结构的太赫兹超材料宽阻带滤波器,该滤波器具有较宽的阻带和较好的频率选择性.基于对该太赫兹超材料宽阻带滤波器C-型谐振结构表面的电场和电流分布的仿真分析,深入探讨了入射太赫兹波的传输机理,揭示了滤波器的滤波机制.基于对金属-介质-金属结构和金属-介质结构的超材料滤波器的滤波特性的仿真研究,揭示了宽阻带的形成机理.最后,采用PDMS薄膜制备工艺和金属磁控溅射方法对该超材料滤波器的样品进行了加工制备,并采用传输型的太赫兹时域光谱系统对其滤波特性进行了实际测试,验证了该超材料滤波器的结构设计、仿真和制备的正确性,为今后宽频带超材料滤波器的设计、制备和特性研究提供了参考.     

二氧化硅衬底中太赫兹超介质谐振特性的研究

设计了一种工作在0.3~1.1 THz的双开口太赫兹超介质,最小透射系数为0.06,传输幅度在0.5以下的带宽为0.11 THz。利用等效电路法对这种超介质单元的谐振特性进行了理论分析,用HFSS对超介质单元进行仿真分析。结果表明,超介质单元的结构参数对其谐振特性的影响与理论分析是一致的。通过对超介质结构参数分析可知,若要调节超介质单元的谐振特性,调节其外环开口缝隙宽度是最有效、最直接的方法。     

太赫兹超材料吸收器的完美吸收条件与吸收特性

提出了一种复合结构三频带太赫兹超材料吸收器,其对特定频率的入射太赫兹波呈现出完全吸收的特性。设计的超材料吸收器在入射角度达到50°时仍能保持良好的吸收特性。利用干涉理论分析了完美吸收发生的条件以及介质层介电常数对吸收频率的影响。进一步利用传输线理论结合干涉理论,分析了耶路撒冷十字短边长度对吸收特性的影响,结果表明:随着短边长度增加,吸收峰发生红移。实验结果与仿真、干涉理论、传输线理论中得到的结果吻合得较好,为今后超材料吸收器的设计提供了指导。     

可调控太赫兹吸收器调制方法

设计了一种窗棂夕阳图案太赫兹超材料吸收器。利用这种图形,从超材料太赫兹吸收器结构出发,分别通过改变顶层图案几何尺寸、中间层电介质厚度、顶层图案开口处的硅电导变化率等,设计可调控太赫兹波双频、三频、四频吸收器。重点分析了顶层图案开口处的硅电导率变化的可调控太赫兹波双频吸收器机理,其低频吸收峰吸收率由68. 7%增至99. 9%,同时低频吸收峰频率1. 043 THz红移至1. 005 THz,产生38 GHz偏移,可以实现连续频率调谐。并提出进一步深入研究本课题的建议。     

太赫兹平面环偶极子超材料传感器及地沟油检测

利用镜像对称的方形双开口环结构设计制备了一款太赫兹环偶极子超材料传感器,该传感器在1.436 THz处产生Q值为16.8的透射谐振谷。谐振频率处结构表面电流分析表明,该结构能在抑制电偶极子和磁偶极子的同时迅速增强环偶极子。作为生物传感器,该器件在分析物厚度饱和时灵敏度高达348.8 GHz/RIU,可以高灵敏感测表面介电环境的微小变化。实验结果验证了其对标准食用油和劣质地沟油的良好分辨性,表明该器件在食品安全监测等方面有着潜在的应用前景。     

太赫兹超材料分束器设计及其特性分析

提出一种超材料太赫兹分束器,其单元结构由顶层金属条带、中间介质层和底层金属板组成。利用4个旋转步进为45°的单元周期排列构成了4×4的相位梯度超表面。当太赫兹波垂直入射到阵列表面时,电磁波被反射成四束能量相等但传播方向不同的波,且不同频点的反射角不同。该分束器具有体积小、成本低的优点,可应用于太赫兹隐身和太赫兹成像等方面。     

基于超材料的太赫兹超窄带吸收器设计及特性分析

提出了一种基于金属环结构的太赫兹超窄带吸收器,其结构单元为典型的金属-介质-金属结构,顶层金属图案由封闭金属环和四开口金属环组成,底层为连续金属板。对该吸收器的窄带吸收原理和吸收峰频率处吸收器结构的表面电流分布进行了研究。结果表明:该吸收器在1.7682THz处存在狭窄的吸收峰,吸收率为99.8%,相对于该谐振频率的半高全宽为0.51%,而且对x和y极化入射波具有极化不敏感。该吸收器具有结构简单、易于加工的优点,在生物传感、窄带热辐射和光电探测等领域有着重要的潜在应用价值。     

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。     

基于超材料的太赫兹幅度调制器设计

提出了一款基于超材料的太赫兹幅度调制器,其结构由开口"弓"形超材料结构、高电子迁移率晶体管、斜十字馈线和碳化硅衬底四部分构成."弓"形超材料结构开口处的连通和断开两种状态将对通过该结构的太赫兹波产生不同的响应.在开口处添加高电子迁移率晶体管可模拟开口连通和断开的效果.当对晶体管上的栅极不施加偏压时,超材料结构开口相当于导通,对太赫兹波透射系数高;当对晶体管上的栅极施加偏压时,超材料结构开口相当于断开,对太赫兹波透射系数低.仿真结果表明,在0.22 THz处,对晶体管栅极不施加偏压时,调制器的透射系数为0.579;对晶体管栅极施加偏压时,调制器的透射系数为0.040.通过公式计算得到其调制深度为93％,而且对x和y极化入射波具有不敏感的特性.同时,通过分析0.22 THz处的电场分布和表面电流分布研究了该太赫兹调制器的工作原理.所设计的太赫兹调制器具有调制深度高、结构简单和易于加工等特点,在太赫兹通信领域具有广阔的应用前景.     

基于二氧化钒超材料的双窄带太赫兹吸收器

提出一种基于二氧化钒(VO₂)超材料的吸收器,由3层结构组成,从上往下分别为2个VO₂圆、中间介质层和金属底板。仿真数据表明,该吸收器有2个很强的吸收峰,分别为4.96 THz和5.64 THz,相对应的吸收率为99.1%和98.5%。利用阻抗匹配理论和电场分布进行分析,阐明了吸收的物理机制,并进一步分析了结构参数对吸收率的影响。所提出的吸收器具有可调谐的特点,能够灵活调控吸收率,为太赫兹波的调控、滤波等功能的实现提供了良好的方案。该吸收器在图像处理、生物探测和无线通信领域都有潜在的应用。