异向介质体内太赫兹波增强效应及谐振特性研究

基于开口谐振环(SRR)的电磁响应特性以及严格电磁场理论,研究了由开口谐振环结构构成的异向介质体内的太赫兹波增强效应及谐振行为。仿真模拟了谐振环结构体内电场、电场能量密度和能流量的空间分布,讨论了电场能量密度随入射太赫兹波频率的变化规律。此外,还分析了谐振环结构参数对异向介质的谐振特性及其太赫兹波增强效应的影响。研究结果表明,在开口谐振环结构的开口缝隙处存在显著的太赫兹波增强效应,不仅电场显著增强,而且还会出现电场能量密度极值,并且,谐振时的电场增强效应比非谐振时明显增大。此外,谐振频率和电场能量密度均会随着谐振环结构参数的变化而呈现明显变化。     

太赫兹波在谐振环多层超材料传输特性的研究

利用时域有限积分法研究了太赫兹波在谐振环多层超材料的传输特性。结果表明,对于尺寸相同的谐振环构成多层超材料,超材料从1层变化到5层时,在共振频率0.80 THz处,谐振谷值从-17 dB～-44 dB,共振明显比单层强很多。对于不同尺寸谐振环构成多层超材料,共振频谱带宽明显增强,半高全宽从0.08 THz变化到0.26 THz。结果表明,多层超材料具有比单层更好的太赫兹波特性,这些传输特性为太赫兹波滤波器、吸收器及偏振器等器件设计具有重要价值。     

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太赫兹波相位动态调控

基于二氧化钒,提出了一种可以动态调控太赫兹波相位的复合超材料结构。仿真模拟结果表明：当二氧化钒由绝缘态相变为金属态时,结构可以在1.15～1.65 THz带宽范围内实现超过140°的相移。通过引入多极子散射功率的计算,结合谐振中心频率处的电场和表面电流分布,深入研究了相移产生的物理机制。所提出的结构具有应用于太赫兹无线通信、传感以及太赫兹安检成像等领域的潜力。     

结构对太赫兹超材料光调控特性的影响

利用光泵浦太赫兹探测系统研究了3个基于开口谐振环的超材料的光调制性质。结果表明:当太赫兹波的电场矢量平行于超材料底边,设计太赫兹超材料时,需要避免对称性样品的中间条等长。然而,非对称性的样品存在耦合和劈裂现象。由于不同的共振机制,低频LC共振对光较为敏感。虽然样品由于设计结构的区别使得各自共振峰位有所不同,但它们对光所呈现出的调制特性是相同的。即当太赫兹波的电场矢量平行于超材料两侧的边时,由于结构的原因在透射谱中只有一个透射凹陷,此透射凹陷表现为偶极共振且该偶极共振特性对光激励不敏感。     

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.     

基于金属-介质-金属结构的太赫兹超材料宽阻带滤波器（英文）

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.     

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.     

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.     

A metamaterial terahertz modulator based on complementary planar double-split-ring resonator

A metamaterial based on complementary planar double-split-ring resonator (DSRR) structure is presented and demonstrated, which can optically tune the transmission of the terahertz (THz) wave. Unlike the traditional DSRR metamaterials, the DSRR discussed in this paper consists of two split rings connected by two bridges. Numerical simulations with the finite-difference time-domain (FDTD) method reveal that the transmission spectra of the original and the complementary metamaterials are both in good agreement with Babinet’s principle. Then by increasing the carrier density of the intrinsic GaAs substrate, the magnetic response of the complementary special DSRR metamaterial can be weakened or even turned off. This metamaterial structure is promised to be a narrow-band THz modulator with response time of several nanoseconds.     

宽频太赫兹异向介质吸收器研究

利用异向介质吸收器的传输线模型及CST仿真软件对其太赫兹波段的宽频吸收特性进行了研究。结果表明：异向介质吸收器对太赫兹电磁波的吸收主要来源于开口环共振单元(SRR)的LC共振。提出了两种使异向介质吸收器获得宽频太赫兹吸收的方法：一是增加LC共振中的等效电阻R,能有效扩展吸收带宽到100GHz以上;二是通过优化具有双吸收...     

Realization of band-pass and low-pass filters on a single chip in terahertz regime

In this paper, we present the design, simulation, fabrication and characterization of a terahertz(THz) filter based on metamaterial consisting of the periodical double symmetric splits ring resonator(DS-SRR) array. We can observe that the metamaterial-based filter possesses a band-pass transmission when the electrical field is along y direction, and it possesses a low-pass transmission when the electrical field is along x direction. Our results demonstrate that the proposed filter can realize the switching between band-pass effect and low-pass effect by only changing the polarization direction of the incident electromagnetic wave. Moreover, the calculated surface current distributions are also used to analyze the switchable mechanism of the THz metamatrial filter. Therefore, the proposed THz wave filter has a potential application in THz wave communication systems.     

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。     

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。     

Spectrum manipulation of a dual-stop-band metamaterial terahertz filter based on unit cell dimension changes

We numerically and experimentally proposed a dual-stop-band terahertz filter based on standard microelectronic fabrication method. The stop bands locate at 0.32 THz and 1.02 THz with 3 dB bandwidths of 0.26 THz and 0.55 THz, respectively. The resonance characteristics of the proposed device were discussed with the help of surface current maps and field density maps extracted from computer simulation software to better understand the working principle of the proposed device. On top of that, a total of seven devices with different dimensions were fabricated to fully discuss the dimension effects on the resonant frequency shift and bandwidth changes. This fabrication process is applicable for related integrated metamaterial devices and provides essential experiment evidences for effective ways of manipulating the transmission spectrum of the proposed filter.     

ZnTe晶体对太赫兹波的电光响应及极化匹配

给出了ZnTe电光晶体折射率和吸收系数随太赫兹波频率而变化的计算曲线,比较了太赫兹波在ZnTe中传播时的相速度和群速度。通过与太赫兹频率和晶体厚度相关的电光效率响应函数,理论计算了ZnTe电光晶体对太赫兹脉冲的探测电光响应,得到了晶体厚度与探测到的太赫兹频谱宽度的定性关系,从计算结果中找到了ZnTe电光晶体在5.3 THz和6.2 THz等多个频点的探测盲点,这些探测盲点来自于ZnTe电光晶体与相应频点太赫兹波的栅格共振吸收。结合自制的大口径太赫兹光导天线和1 kHz脉冲重复频率的太赫兹时域光谱实验系统,通过差分探测技术,从实验上得到了太赫兹波极化方向与〈110〉型ZnTe晶体晶轴方向的六个最佳匹配角度,给出了太赫兹电场最大值随晶轴与太赫兹波极化方向之间夹角变化的曲线及经验公式,这将有利于在实践中对该现象的深入理解和对探测灵敏度的有效提高。     

Modulating the Near Field Coupling through Resonator Displacement in Planar Terahertz Metamaterials

We present the effect of vertical displacements between the resonators inside the unit cell of planar coupled metamaterials on their near field coupling and hence on the terahertz (THz) wave modulation. The metamolecule design consists of two planar split- ring resonators (SRRs) in a unit cell which are coupled through their near fields. The numerically simulated transmission spectrum is found to have split resonances due to the resonance mode hybridization effect. With the increase in displacement between the near field coupled SRRs, this metamaterial system shows a transition from coupled to uncoupled state through merging of the split resonances to the single intrinsic resonance. We have used a semi-analytical model describing the effect of displacements between the resonators and determine that it can predict the numerically simulated results. The outcome could be useful in modulating the terahertz waves employing near field coupled metamaterials, hence, can be useful in the development of terahertz modulators and frequency tunable devices in future.