基于太赫兹人工超材料的带阻滤波器

鉴于太赫兹辐射的特殊性,其难以与自然界中多数材料发生电磁相互作用,导致太赫兹功能器件匮乏.人工超材料通过人工设计结构单元的周期排列组合,可实现太赫兹波段电磁响应的调控.本文设计一种由二氧化硅衬底上的单层金属方形谐振环结构构成的太赫兹带阻人工超材料,具有窄带宽、深带阻特性、偏振不敏感特性,通过近场电场和表面电流分析,带阻...     

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。     

太赫兹多谐振环偶极子超表面中的类EIT效应

设计了一种在太赫兹波段下的四谐振环偶极子超表面结构,超表面的单元结构由一对反向的非对称开口谐振环(ASRR)及基底介质组成。在其谐振谱中观察到1个典型的类电磁诱导透明(EIT)现象。利用法诺(Fano)谐振模型对这种电磁诱导透明谐振谱进行拟合,良好的拟合结果揭示了不同谐振模式之间的耦合作用。此外,研究发现谐振的电磁特性对金属谐振环的开口间距非常敏感,开口间距的改变带来了谐振的频移和Q值的变化。该多谐振环偶极子超表面不仅为实现EIT效应提供了有效途径,而且有利于开发更多的太赫兹功能器件。     

石墨烯动态调控太赫兹表面等离激元

太赫兹表面等离激元(SPPs)是利用亚波长周期性结构在太赫兹频段模拟的具有与可见光频段表面等离激元相似的光学特性的电磁波,分为传输型和局域型2种。本文将石墨烯引入太赫兹表面等离激元结构作为动态激励源,通过外加偏压改变石墨烯的电导率,分别实现了对传输型表面等离激元的幅度、频率、相位和对局域表面等离激元共振强度的动态调控。本文方法为表面等离激元的动态调控提供了新的思路,拓宽了表面等离激元在太赫兹频段的应用。     

利用石墨烯-金属复合结构实现太赫兹电磁诱导透明超表面主动调控

近年来,在超表面中实现对电磁诱导透明的主动式调控引起了越来越多的研究兴趣。采用石墨烯-金属复合结构,设计并研制了一种新颖的调制策略,通过同时施加光泵和偏置电压改变石墨烯的电导率,在太赫兹波段实现了一种主动式电磁诱导透明超表面,其在透射窗口频率处的振幅调制深度可达73%。模拟和理论分析表明,其内在物理机理在于石墨烯对金属谐振结构的短接作用,石墨烯的电导率越大,短接效果越明显,谐振强度也越弱。该石墨烯-金属复合超表面为设计紧凑的主动式太赫兹光开关器件提供了一种实现途径,在太赫兹通信中具有潜在的应用前景。     

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。     

嵌入式二氧化钒超表面对太赫兹谐振模式的动态调控

提出了一种在超表面中嵌入二氧化钒(VO₂)从而对太赫兹波进行动态调控的方法。VO₂在68℃左右会发生绝缘体到金属的相变，导致其电导率发生4～5个数量级的显著变化。超表面由一个双开口金属谐振环阵列以及金属环开口处嵌入的VO₂结构组成。仿真结果表明，通过改变VO₂的电导率，太赫兹波可以实现高频与低频之间的谐振模式的切换。值得注意的是，这种模式转换不仅可以在实验中通过直接改变环境温度实现，还可以通过激光和强场太赫兹的泵浦完成。这种多样化的激励为该超表面在实际多场景应用中动态调控太赫兹波提供了参考。     

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.     

太赫兹大视场宽带消色差超构透镜北大核心CSCD

基于超构透镜的太赫兹成像系统因紧凑的体积受到广泛关注。现有太赫兹超构透镜仅能实现消色差或大视场成像，需要大视场宽带消色差超构透镜来进一步提升太赫兹系统的成像质量。文中介绍了一种工作在0.3～0.5THz，数值孔径0.707，直径10mm，视场100°的太赫兹大视场消色差硅基超构透镜。该超构透镜采用了二次非球面型相位剖面，减小了轴外像差，实现了大视场；选取了相位和色散满足要求的单元进行布阵，消除了色差。因此，它有望被广泛应用在生物检测、太赫兹成像等领域。     

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。     

Multistate Tuning of Third Harmonic Generation in Fano-Resonant Hybrid Dielectric Metasurfaces

Hybrid dielectric metasurfaces have emerged as a promising approach to enhancing near field confinement and thus high optical nonlinearity by utilizing low loss dielectric rather than relatively high loss metallic resonators. A wider range of applications can be realized if more design dimensions can be provided from material and fabrication perspectives to allow dynamic control of light. Here, tunable third harmonic generation (THG) via hybrid metasurfaces with phase change material Ge₂Sb₂Te₅ (GST) deposited on top of amorphous silicon metasurfaces is demonstrated. Fano resonance is excited to confine the incident light inside the hybrid metasurfaces, and an experimental quality factor (Q-factor ≈ 125) is achieved at the fundamental pump wavelength around 1210 nm. Not only the switching between a turn-on state of Fano resonance in the amorphous state of GST and a turn-off state in its crystalline state are demonstrated, but also gradual multistate tuning of THG emission at its intermediate states. A high THG conversion efficiency of η = 2.9 × 10⁻⁶% is achieved, which is 32 times more than that of a GST-based Fabry–Pèrot cavity under a similar pump laser power. Experimental results show the potential of exploring GST-based hybrid dielectric metasurfaces for tunable nonlinear optical devices.     

石墨烯介质堆栈提高系统调控Fano共振能力

为了更加有效地利用亚波长光栅/介质波导结构调控Fano共振,使用石墨烯介质堆栈代替石墨烯单层作为缓冲层,采用严格耦合波分析方法仿真改进后的结构,研究了堆栈单元中纳米级介质厚度增强石墨烯电导率的变化对整个堆栈结构等效介电常数的影响。结果表明,若系统作为高效光开关使用,则所需的石墨烯化学势改变由原来的0.06eV减小到了0.02eV,且开关调制深度高达94%;若系统作为可调谐吸波体使用,则其频率调制深度由原来的0.14THz增加到了0.36THz,大大扩展了吸收谱的调节范围。改进的结构提高了系统调控Fano的能力。     

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。     

高灵敏度太赫兹超材料对于生物组织切片的研究

太赫兹波在生物医学领域具有非电离、无标签、实时等优点,因此在该领域具有巨大的发展潜力。为了解决介电常数相近的生物组织之间的区分问题,设计并制造了一种具有Fano共振特性的超材料,并进行太赫兹反射成像实验。模拟和实验结果显示,在0.82 THz下,该超材料的反射灵敏度达到132 GHz/RIU。该超材料不仅可以提高标准成像分辨率板的对比度,还可以将肌肉组织和脂肪组织之间对比度提高约7.5%。这些结果表明,该超材料能够显著提高生物组织切片图像的对比度,为今后太赫兹应用于临床组织样本奠定了实验和理论基础。     

基于超材料结构的高Q太赫兹滤波器

在半导体微纳工艺基础上研究了基于镜像非对称结构超材料太赫兹(THz)滤波器的性能。通过时域有限差分理论,模拟分析了滤波器工作频率下太赫兹电场强度和电流密度在微结构的分布,并阐述了微结构太赫兹波电磁共振的机理。基于太赫兹滤波器电磁损耗机制和微纳加工工艺条件,设计并优化器件开口环结构,使相邻开口环中产生电磁场的干涉相消,减少太赫兹辐射损耗,提高品质因子Q值。采用太赫兹时域光谱(THz-TDS)系统测试了滤波器的太赫兹透射特性,实验结果表明,在工作频率0.923 THz下,镜像非对称结构的平面太赫兹滤波器品质因子达到12.5。同时,研究了太赫兹电场方向对滤波器性能的影响。高Q太赫兹滤波器的研制为制备高速太赫兹电调制器等太赫兹器件提供了重要的实验依据。     

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.     

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...     

基于双层超材料中的电场增强效应增强光学透射

传输增强是基于非空心双层超材料滤波器的模拟验证.所提出的结构包含覆盖在连续介电层上的连续金属膜.与单金属层结构相比,模拟传输明显增强.模拟验证了介电层厚度和入射角对传输增强的影响.发现当厚度h1为20 nm时,实现了最大化的透射率增强.此外,所提出的紧凑金属-电介质双层薄膜在入射角达到45°时显示出透射率增强的稳定性,由于其非空心化设计策略,可以应用于许多潜在的领域.     

Josephson Plasmon Resonance in Tl2Ba2CaCu2O8 High-Temperature Superconductor Tunable Terahertz Metamaterials

The Josephson plasmon resonance (JPR) offers a valuable probe to investigate the superconductivity in layered cuprate superconductors. However, the coupling between free space radiation and JPR in high-temperature superconductor (HTS) film remains challenging because the excitation of JPR demands the c-axis oriented electric field. The subwavelength resonators in metamaterials can enhance the localized electric field, which can be utilized to resolve this difficulty. Here, a tunable terahertz (THz) metamaterial made from Tl₂Ba₂CaCu₂O₈ (Tl-2212) HTS film is developed. The spectral response of Tl-2212 metamaterial has a tunable property at temperatures up to 90 K. The resonant excitation of Josephson plasmon in the metamaterial is observed. Simulation results indicate that the scattering of subwavelength resonators can provide the component of the z-axis electric field for the resonant excitation. The coupling between JPR and resonance modes of metamaterials is observed and explained using coupled mode theory. The temperature dependence of JPR frequency shows accordance with the experimental results of the pure film. This work provides an avenue to excite the JPR and probe superconducting condensate in the layered superconductor. The development of Josephson plasmonic metamaterials may contribute to tunable and nonlinear THz devices.