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.     

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。     

基于柔性超材料的太赫兹超高灵敏度生物传感器设计

太赫兹超材料具有非电离辐射特性,且对弱共振敏感,在生物传感应用中具有优异的性能.针对目前太赫兹波段生物传感器灵敏度仍需提高的需求,提出了一种在柔性聚酰亚胺电介质上制备的平面阵列法诺不对称开口环谐振器.该传感器对附着其表面的待测生物样本高度敏感.仿真结果表明,该柔性超材料生物传感器的灵敏度可达1018 GHz/RIU,质...     

基于类电磁诱导透明的太赫兹超材料传感器性能分析

本文提出了一种基于类电磁诱导透明(Electromagnetically Induced Transparency,EIT)效应的太赫兹超材料折射率传感器.该器件结构单元由介质层和金属层构成,金属层是由四开口环和金属条组合的非对称结构.传感器透射谱产生了尖锐的透明峰,实现了类EIT效应.仿真分析了该器件的传感性能,实现了Q值为92.0、折射率灵敏度为61.0GHz/RIU、品质因数(Figure of Merit,FOM)为8.5的折射率传感功能,远优于对称结构的开口谐振环传感器.这种具有较高Q值、较高灵敏度和偏振不相关性的太赫兹超材料传感器在无标记的化学、生物传感中具有潜在应用价值.     

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...     

基于石墨烯超材料的太赫兹五频段折射率传感器

针对目前太赫兹折射率传感器波段单一且灵敏度低的问题,提出一种基于石墨烯超材料的五频段折射率传感器。通过CST电磁仿真软件对传感器结构进行模拟仿真,确定了可以同时提高吸收率和灵敏度的特征尺寸。与传统超材料折射率传感器相比,通过调整石墨烯层的化学势和弛豫时间即可实现石墨烯吸收体的可调谐性。仿真结果表明,该折射率传感器在频率为4.535、6.368 1、8.253、10.395和11.321 THz时达到折射率吸收峰值,吸收率分别为92.2%、99.5%、99.9%、90%和99.1%,且5个波段中最高折射率灵敏度为436 GHz/RIU。与其他折射率传感器相比,该折射率传感器波段多且灵敏度高,具有良好的传感性能,可应用于光学检测、医学成像、生物传感等领域。     

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。     

基于C型太赫兹超材料的高灵敏度生物传感器

提出了一种基于C型超材料的太赫兹波段高灵敏度透射型生物传感器。利用电磁场软件CST2016对其传感器的特性进行研究。通过改变四个微纳金属结构的旋转角度、微纳金属结构的位置,对其传感器的Q值特性进行了分析,并进一步研究了微流通道的通道高度、覆盖层和基底的介电常数对其传感器灵敏度的影响。研究结果表明,当微纳金属结构旋转角度75°,上下金属结构间位置相对平移3μm,微流通道高度45μm,覆盖层和基底采用相对介电常数为2.25的聚乙烯材料时,设计的C型超材料生物传感器的灵敏度为0.0936 THz/RIU。该传感器在太赫兹波生物医学领域有着广阔的应用前景。     

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。     

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。     

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。     

人工微结构太赫兹传感器的研究进展

近年来,太赫兹技术得到迅速发展,在通信、反恐、检测和医药等领域展现了广泛的应用潜力。尤其是许多生物分子和材料在太赫兹波段存在特征的吸收光谱,而且太赫兹波能量低损伤小等特点,使得太赫兹生化传感器越来越受到关注。然而,由于太赫兹波的波长较长与生物分子等的尺寸差别非常大,导致相互作用比较弱,从而限制了太赫兹传感器的性能。通过微纳电磁结构对光场空间分布和频率分布的调控,增强太赫兹波传感器的灵敏度是当前的研究热点。文中将重点介绍各种微纳结构太赫兹传感技术的原理和研究现状,并通过梳理其发展趋势和当前的性能制约因素,讨论此方向将来的发展方向和应用前景。     

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。     

可用于农药传感的多带太赫兹超材料吸收器

多带太赫兹超材料吸收器是响应、操纵和调制太赫兹波的重要光子元件。本文基于周期性分裂环谐振器结构构建了一种多带太赫兹超材料吸收器。模拟和实验测试显示,在横磁(TM)极化情况下该超材料吸收器对0.918 THz和1.581 THz处的入射太赫兹波呈现出近似完美吸收。进一步,基于器件共振吸收峰的介电敏感特性,研究了负载不同浓度的多菌灵、三环唑、百草枯、塞苯隆4种农药溶液后超材料吸收器的传感性能,获得器件对4种农药的检测灵敏度分别为：1.06 GHz/ppm、0.65 GHz/ppm、0.67 GHz/ppm、2.07 GHz/ppm。结果表明该器件可实现对微量农药的传感检测,为今后食品质量安全控制提供了新的思路。     

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.