基于石墨烯超材料的宽频带可调太赫兹吸波体

基于二维材料石墨烯,设计了一款宽频带可调谐超材料太赫兹吸波体。该吸波体由三层结构组成,顶层为石墨烯超材料,中间层为二氧化硅,底层为金属薄膜。仿真结果表明,当石墨烯的费米能级为0.7 eV时,该吸波体在1.11~2.61 THz频率范围内吸收率超过90%,相对吸收带宽为80.6%。当石墨烯的费米能级从0 eV增大到0.7 eV时,该吸波体器件的峰值吸收率可以从20.32%增大到98.56%。此外,该吸波体器件还具有极化不敏感和广角吸收的特性。因此,它在太赫兹波段的热成像、热探测、隐身技术等领域具有潜在的应用价值。     

基于石墨烯的太赫兹透明吸波器设计

透明太赫兹吸波器既可在太赫兹波段实现吸波功能,又对可见光透明,隐蔽性高,因此其在电磁隐形等领域具有广泛应用。文中设计了一种基于石墨烯的太赫兹双频吸波器,它由方形加枝节的石墨烯上层宽带吸波结构和石墨烯-ITO 嵌套形下层窄带吸收结构构成,实现了独立可调的双频吸波功能。经仿真调试,该吸波器能够通过改变石墨烯费米能,分别在1.98~3.64 THz 范围内调节实现90%以上宽频带吸收率和在4.6~4.9 THz 范围内调节实现96%以上吸收率。经验证,该吸波器具有极化不敏感、宽入射范围等优点。     

一种基于二氧化钒材料的可调谐吸波器设计

为了在THz波段获得TE波下的可调谐吸收频谱, 采用全波仿真的方法, 设计了一款基于二氧化钒材料的可调谐THz吸波器, 对该吸波器的吸收频谱、电场图、表面电流图以及能量损耗图进行分析, 并讨论了结构参量h₄, k以及入射角度θ对吸收频域和吸收带宽的影响。结果表明, 通过外部温控的方式改变二氧化钒谐振单元的物理特性可以获得可调谐的吸收频谱并改善吸波器的吸收性能, 该吸波器在温度T≥68℃时, 可以实现在2.70THz~3.36THz频段的宽带吸收(吸收率在90%以上), 相对带宽达到21.8%;在T＜68℃时, 可以实现多个单频点的吸收; 改变结构参量h₄, k可以改变吸收频点的位置以及吸收带宽, 改变入射角度θ可以影响吸波器的吸收效果。该研究对可调谐太赫兹器件的进一步探究是有帮助的。     

基于石墨烯的多功能超表面设计

为实现机载天线罩吸波/透射波/反射波功能一体化,设计了一种基于石墨烯和光电二极管(PIN)的宽带吸波/反射波/透射波多功能超表面。当PIN正向导通时,超表面对入射电磁波的透过率接近于0,反射率可以通过改变石墨烯的费米能级进行调节;当石墨烯的费米能级为0.3 eV时,超表面在1.55~5.51 GHz范围内的吸收率超过了90%;当石墨烯能级为0 eV时,超表面在1.55~5.51 GHz范围内的反射系数高达45%。当PIN反向截止时,超表面在4.76 GHz处出现了一个透射峰,石墨烯费米能级为0.3 eV和0 eV时的透射系数分别为61%和71%。设计的超表面具有结构简单、宽带吸波/反射波/透射波多功能等优点,在通信和雷达等领域具有广泛的应用前景。     

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。     

偏振选择可调谐双带太赫兹吸收器

提出并研究了一种偏振选择可调谐双带太赫兹吸收器。吸收器由顶层方形劈裂石墨烯环、中间SiO₂介质层以及底层金反射层组成。基于时域有限差分法的仿真结果显示,该吸收器在不同偏振光入射下均可以实现双带高效率吸收。x偏振光时在7.86和12.63THz处的吸收率分别为97.9%和91.2%;y偏振光时在6.30和10.52THz处的吸收率分别为94.1%和93.2%。通过改变石墨烯费米能级,可以对两个偏振的双带吸收峰波长进行调谐。此外,研究了介质层厚度和石墨烯劈裂环的物理参数对共振吸收峰的影响。因为在两个偏振状态下都能产生双带高吸收,所以此吸收器在太赫兹偏振成像、太赫兹传感、选择性光谱检测和偏振复用等领域有重要的潜在应用价值。     

基于混合石墨烯-二氧化钒超材料的太赫兹可调宽带吸收器

提出了一种基于混合石墨烯-二氧化钒超材料的可切换多功能太赫兹宽带吸收器的有效设计。由于单元结构的对称性,该吸收器在电磁波垂直入射时具有极化不敏感特性,并且在宽入射角范围内仍能保持良好的吸收性能。数值仿真结果表明:利用相变材料二氧化钒独特的从绝缘体到全金属态的过渡特性,通过调节其电导率可以动态地调谐宽频吸收谱的幅值。通过施加外部偏置电压来调整石墨烯的费米能级,可将宽频吸收光谱的峰值吸收率从0.226调整至0.992。通过同时改变两个独立可控的参数(二氧化钒的电导率和石墨烯的费米能级),所提出的器件能够在宽频范围内的透明绝缘介质、全反射器和宽带吸收器之间切换。所设计的系统可扩展至红外和可见光波段,为实现高性能太赫兹设备提供了一种新的设计思路。     

光驱动宽频带可调谐太赫兹吸波器设计

设计了一种基于光敏材料硅(Si)的宽频带极化不敏感的光驱动可调谐太赫兹超材料吸波器(metamaterial ab-sorber,简称MMA).该可调谐太赫兹MMA基本单元结构由嵌入光敏硅的紧凑开缝环谐振器结构、中间介质隔离层与金属底板构成.硅的电导率随着入射光的强度而发生改变,从而使太赫兹MMA工作频率和吸波性能得到有效的调节.数值计算结果表明:当硅电导率在1. 0×10~3S/m到5. 0×10~5S/m范围内动态调节时,该MMA吸波特性在0. 442 THz到0. 852 THz范围内动态调节.另外,其相对调节带宽达到63. 37%,吸收率调制深度达到60. 22%.进一步的数值计算结果表明我们所设计的MMA具备极化不敏感和宽入射角的特性.     

静电喷印技术在太赫兹超表面制备中的应用

近年来,太赫兹技术快速发展,基于超表面的太赫兹器件受到广泛关注,并已应用于太赫兹成像、光谱和生物传感等诸多领域。但太赫兹超表面器件的制备复杂且成本高,而静电喷印技术无需掩模版,成本低、精度高且易于在异形曲面上制作。基于静电喷印技术设计和制备了太赫兹吸波器,并利用太赫兹时域光谱系统（THz-TDS）对样品进行了性能测试,实验与仿真结果基本相符,在0.098~0.353 THz频段内吸收大于90%。此外,还设计了太赫兹线极化转换器,在0.167~0.355 THz频段内的极化转换大于95%,相对带宽约72%,并分析了所设计样品的制备工艺条件,验证了静电喷印技术对于制备太赫兹极化转换器的可行性。研究成果表明,静电喷印技术在太赫兹超表面器件的制备中具有广泛的应用前景。     

基于石墨烯超材料的三频段可调谐完美吸收器

为进一步降低太赫兹频率下高性能调控器件的结构复杂度,提出一种三频段可调谐超材料完美吸收器.该吸收器由图案化的石墨烯层和经Si介质层隔开的Au接地平面组成,利用太赫兹下的石墨烯表面等离子体共振以及图案化石墨烯与电场耦合提供的电偶板子共振形成多个吸收峰.数值仿真结果表明,在0.489 THz、1.492 THz和2.437...     

复合石墨烯/硅半球的宽带太赫兹超材料吸收器

提出了一种性能可调的宽带、极化与入射角不敏感的超材料太赫兹吸收器,该吸收器自上而下分为四层结构,分别是:硅半椭球/半球体复合结构、连续石墨烯层、PDMS介质层和金属背板。通过在TE波垂直入射条件下仿真,在已知结果基础上,对不同石墨烯化学势和不同结构条件下的电场结果分析表明,在硅半椭球/半球体亚波长复合结构所形成的连续、多模法布里-珀罗共振,以及由石墨烯所激发的多个离散的等离子体共振的协同作用下,其吸收光谱得到平滑和扩展,使该结构可实现吸收率宽范围可调,以及接近100%吸收率的宽频带吸收特性。特别的,当石墨烯化学势分别为0.2与0.9 eV时,其分别可获得约5.7 THz与7 THz的宽带太赫兹波吸收（吸收率超过90％）,且其最大吸收率接近完美吸收（约99.8％）。此外,该结构还具有360°极化不敏感和高于60°的入射角不敏感等优异特性,在以上角度范围内,吸收器吸收率仍可保持到90%以上。在太赫兹波探测、光谱成像以及隐身技术等方面具有潜在的应用前景。     

双层石墨烯电控开关设计

提出并设计了一种基于双层石墨烯结构的电控太赫兹波开关。该开关结构由棱镜-石墨烯-二氧化硅-石墨烯-锑化铟组成。太赫兹波从棱镜左侧以特定角度入射,棱镜右侧固定有太赫兹波探测器,通过外加电场改变石墨烯介电常数,影响等离子体波矢匹配,进而控制太赫兹波反射率,实现太赫兹开关目的。实验运用COMSOL软件对双层石墨烯电控开关进行仿真模拟,将1 THz的太赫兹波以35.42从棱镜左上方入射,在无外加电场时,太赫兹波反射率为2.63%,此时为太赫兹波开关的关状态。施加外加电场时,石墨烯的介电常数发生变化,太赫兹波反射率改变并达到93.01%,棱镜结构接近全反射,此时为太赫兹波开关的开状态。研究结果表明该结构具有良好的太赫兹波强度控制性能,电控太赫兹波开关消光比为15.5 dB。     

Graphene based tunable and wideband terahertz antenna for wireless network communication

A wide band terahertz dipole-antenna using graphene with tunable resonant frequency is proposed. Presence of graphene in the antenna is shown to electrically tune resonant frequency and to push the antenna to resonate with multibands in terahertz regime. The proposed terahertz antenna shows maximum of five tuning frequencies and better performance parameters such as return loss of ?? 39.7 dB, maximum directivity of 9.3 dB, five resonant tuning frequencies (multi resonances) at chemical voltage of 0.5 eV, maximum fractional bandwidth of 15.6%, maximum radiation efficiency of 21.5% and large bandwidth of 2.32 THz. Large bandwidth of the antenna can be very useful for highest possible data transfer among wireless devices. The proposed graphene based terahertz antenna has the dimensions of few micrometers so miniaturization i.e. size is reduced to 0.007 mm² which is suitable for size limited future applications such as Wireless Networks on Chip, software defined meta material and Wireless Nano Sensor Networks (WNSNs). Size of the proposed terahertz antenna is less than that reported in the literature. One reconfigurable and miniaturized antenna may replace a number of single function radiators, thereby also cost and size of a WNSNs can be abridged while performance is improved.

     

基于双重共振响应的太赫兹柔性可拉伸超表面（特邀）

可拉伸器件中太赫兹波特性的主动控制对于涉及大机械变形或拉伸的先进太赫兹应用至关重要。将金属超表面与弹性薄膜聚二甲基硅氧烷相结合,设计并研制了基于不同微观机理的双带太赫兹波段主动控制器件。利用金属与弹性薄膜在拉伸作用下的形变失配,通过周期敏感的十字结构超表面实现了双带调制效果。在36%的拉伸下,利用偶极子模式和晶格模式分别在1.26 THz和2.41 THz处实现了调制深度为90%和78%的双频带调制。通过晶格模式进行的调制工作频率具有较大的动态范围,可以从2.41 THz调谐到1.85 THz。由于电偶极子谐振模式和周期性晶格谐振模式的机制彼此独立,因此可以独立地设计两个谐振频率,从而在几何上调节双带调制器的频率间隔。提出的可拉伸超表面制备简单,具有强度调制深度大,频率调谐范围广的优点,既能用于太赫兹波的主动控制,也能用于被动式的位移传感。     

Broadband Terahertz Transmission Modulation Based on Hybrid Graphene-Metal Metamaterial

A novel patterned metamaterial, composed of graphene layer and metal periodic array of split ring resonators (SRRs) and cross-shaped resonators (CSRs), with broadband terahertz (THz) wave modulation was proposed and theoretically studied. It demonstrated that a broad passband high transmission of over 96.1% in the frequency range from 1.02 THz to 1.66 THz and two narrow band resonance frequencies f₁ and f₂ could be generated. The modulation depth of transmission was 29.2% when the graphene layer was covered on the metal metamaterial surface, and the modulation depth could be further increased by increasing the Fermi energy of graphene layer and reached approximately 79.5% at 1.0 eV in a broadband THz frequency range. The resonance frequencies of f₁ and f₂ were blue-shifted, and their modulation depths reached about 63.2% and 18%, respectively. These results show that the ultrathin graphene-metal metamaterial exhibits potential to achieve high-performance active THz devices and may offer widespread applications.     

Tunable,Grating-Gated,Graphene-On-Polyimide Terahertz Modulators

An electrically switchable graphene terahertz (THz) modulator with a tunable-by-design optical bandwidth is presented and it is exploited to compensate the cavity dispersion of a quantum cascade laser (QCL). Electrostatic gating is achieved by a metal grating used as a gate electrode, with an HfO₂/AlO_x gate dielectric on top. This is patterned on a polyimide layer, which acts as a quarter wave resonance cavity, coupled with an Au reflector underneath. The authors achieve 90% modulation depth of the intensity, combined with a 20 kHz electrical bandwidth in the 1.9–2.7 THz range. The modulator is then integrated with a multimode THz QCL. By adjusting the modulator operational bandwidth, the authors demonstrate that the graphene modulator can partially compensate the QCL cavity dispersion, resulting in an integrated laser behaving as a stable frequency comb over 35% of the operational range, with 98 equidistant optical modes and a spectral coverage ~1.2 THz. This paves the way for applications in the terahertz, such as tunable transformation-optics devices, active photonic components, adaptive and quantum optics, and metrological tools for spectroscopy at THz frequencies.     

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...