基于曲折线型介质超材料的宽带太赫兹四分之一波片

采用基于高阻硅的曲折线型（meander-line）介质超材料,设计了一种宽带的太赫兹四分之一波片,可以在较宽的频率范围内将入射的线偏振太赫兹波转换为圆偏振太赫兹波出射。三维全波模拟显示,通过恰当地设计超材料微结构的几何尺寸,可以调节微结构的双折射特性,进而改变沿微结构两个正交方向偏振的太赫兹波的透射振幅和相位,使之振幅相近（约0.55）,相位相差90。实验上,通过离子束刻蚀硅的方法按照设计加工了一个样品,并利用太赫兹时域频谱系统进行了表征。实验结果和模拟结果吻合得很好,实现了带宽在1.07~1.41 THz范围内有效的四分之一波片,对应的归一化椭圆率高达0.99,证实了该设计的有效性。此外,还通过改变微结构的几何参数,进一步在模拟上设计了两个在其他太赫兹波段工作的四分之一波片,证明了该微结构的可调谐特性。     

基于介质超材料的太赫兹偏振和相位控制

采用基于介质高阻硅超材料,设计了太赫兹(TH z)波段高效率(>64%)宽带的偏振转换器,并介 绍了利用该器件控制相位的方法。采用8个不同尺寸的介质微结构作为控制相 位的基本单元, 通过恰当地排布它们的空间位置,设计了一个高效率、超宽带的THz波异常偏折 器,其有效工 作带宽范围为0.75～1.50THz,在1.25THz处 效率最高可达70%以上,且偏折角度与频率相关, 符合广义斯涅尔定律的描述。实验中,采用了自主搭建的角度分辨的光纤化THz时域 频谱系统对设计的 器件进行了表征,实验结果和仿真模拟及理论预测结果非常吻合。这种基于介质超材料的方 法,克服了传 统金属超材料中欧姆损耗的问题,且设计简单,加工方便。     

基于相位梯度光栅介电超表面的高效太赫兹波异常反射器

太赫兹(THz)波由于其诸多独特的性质,有着广泛的应用前景。然而由于相关材料和器件的发展相对滞后,太赫兹技术在实际中的应用尚有诸多限制。超材料和超表面概念的提出,能够对太赫兹波的相位、振幅、偏振进行有效操控,为太赫兹技术的发展提供了许多新的思路。其重要的功能之一是依靠相位不连续将入射波反射到非镜面方向,即通称的广义斯涅尔定律。然而,此前报道的大多数异常反射装置的效率都相对较低,在实际应用中存在局限性。针对这一问题,文中提出了一种太赫兹超表面异常反射器,将法向入射光反射到40°方向且不改变其偏振,并从理论上阐述了提高效率的思路,且通过数值模拟展示其有效性。通过使用全介质材料构建超表面从而消除材料损耗,并利用不同布洛赫波的耦合以提供非局部响应,令器件的工作效率超过99%。此外,这一设计理念可以推广到偏振无关器件中,并且对其他类似的器件也有一定参考意义。这一工作有潜力被应用于太赫兹波激光器、太赫兹波腔谐振器等太赫兹波实际器件中。     

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。     

各向异性超材料中太赫兹波的偏振转换

各向异性超材料可以控制太赫兹波的偏振态,实现入射太赫兹波的偏振转换。为了获得非手性各向异性超材料的透射响应与本征偏振复透射系数的关系及其入射偏振依赖性,在太赫兹时域光谱系统中测量了等臂长L形结构超材料在不同偏振角下的正入射透射谱,获得并分析了透射太赫兹波的偏振转换率和偏振态,所得结果与基于琼斯矩阵和坐标变换计算的结果一致。在0.7 THz~1.3 THz频率范围内可实现约20%的偏振态能量转换效率。在L结构和双L结构的偏振转换透射谱中分别观察到了宽带响应和多频共振响应,表明结构改变对太赫兹波透过特性的敏感性和可操控性。所得到的结果可用于太赫兹功能器件的设计、表征和优化。     

全介质超表面中的手性太赫兹响应

基于单层金属手性谐振器的超表面在垂直入射条件下很难激发较大的手性光学响应,难以形成与电偶极矩不正交的面内磁偶极矩分量。光场在介质超原子中激发的位移电流可能引发面内磁矩,进而实现高效的手性光学响应。基于无损的全硅超表面在太赫兹波段实现了巨大的手性响应。手性硅柱中的泄露波导模式同时激发了面内电偶和磁偶极矩,从而引发了自旋选择的后向电磁辐射,进而实现了太赫兹波的手性光学响应。利用线栅偏振片搭建了偏振相关的时域光谱测试系统,测得透射光谱中的圆二色性峰值达0.2。这种制备简单的全硅超表面为太赫兹手性超器件的设计提供了新的思路,有望应用于太赫兹偏振成像、光谱检测等领域。     

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。     

太赫兹波前调控器件

正太赫兹波在电磁波谱中介于红外和微波之间。由于其具有许多潜在的应用,得到了人们广泛的重视、人们研发了许多用于太赫兹波谱裁剪和强度调制的器件、但是,却缺少太赫兹波前调制器件。介绍两种新的波前调制方法。第一种方法利用亚波长金属天线实现太赫兹的相位调制。选择八种亚波长天线,他们对太赫兹的振幅调制相通,但相位调制不同。根据不同的波前调制要求可以合理安排天线的分布。设计、制作并表征了透镜、衍射光学元件以及计算相息图、第二种方法是利用空间光调制器将泵浦光打在硅基底上。光生载流子的分布形成了太赫兹振幅全息图,通过光的一级衍射就可以实现预定的振幅相位分布。太赫兹全息图的变化可以达到每秒60帧,实现真正的动态调制。实验结果验证了方法的可行性。     

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。     

太赫兹波前调制超表面器件研究进展

超表面是一种由人工微结构组成的超薄平面器件,能够实现对电磁波振幅、相位以及偏振态的调控,具有体积小、重量轻、集成度高、可灵活操控电磁波等优势,在电磁波谱、波前调制中发挥着巨大的作用。综述了近年来基于超表面的太赫兹波前调制器件的研究进展。总结了基于Pancharatnam-Berry相位、基于局域表面等离子体共振(LSPR)、基于Mie共振的三种超表面单元结构对电磁波的振幅、相位调控机理,并讨论了实现高效率超表面的方法。之后,介绍了用于设计波前调制超表面器件的纯相位调制方法和复振幅调制方法。综述了在太赫兹波段典型的超表面波前调制器,包括单一功能、复合功能以及可调谐功能的超表面波前调制器件。在早期的研究工作中,设计的超表面可实现波束偏转、波束聚焦、全息成像、以及涡旋光束、自聚焦光束、洛伦兹光束等特殊光束产生等功能。为提高太赫兹器件的利用率,波分复用、偏振复用等功能复用的太赫兹超表面器件被提出。随着对太赫兹波前动态调控需求的增长, 一些主动的太赫兹超表面器件被提出并在实验上被验证。共有两种主动的超表面器件。其中一种主动超表面是通过将超表面结构与半导体材料或相变材料结合形成的,另一种是通过光泵浦硅片形成的全光器件。全光超表面在不用重新加工的前提下能够被重复使用。通过调整投影在硅片上的超表面图像即可动态操控太赫兹波前。全光超表面具有动态控制波束扫描和波束聚焦的能力,将来可应用于太赫兹通信、太赫兹雷达等领域。最后,对太赫兹波前调制超表面器件的发展趋势与应用前景进行了展望。     

介质层对超材料太赫兹响应特性的控制规律

作为超材料的重要组成部分,介质层是影响超材料响应特性的关键因素.固定超材料的尺寸和表层金属图形,通过理论推导和仿真模拟详细分析了在太赫兹波段下介质层的介电常数和厚度两个参数对超材料响应特性的控制规律,并首次确定了响应频率与介电常数的关系方程.结果表明,在其他参数不变的情况下,超材料的响应频率主要取决于介质层的介电常数的实部大小,而其吸收率则主要取决于介质层的厚度.据此,提出一种设计超材料的新方法:首先将设计要求的响应频率代入频率方程计算出相应介质层的介电常数,由此挑选合适的介质材料;然后固定介电常数、调节介质层厚度,获得在特定频率具有特定吸收率的超材料.     

新型太赫兹波束分离器的设计

近年来,随着射电望远镜外差式阵列接收机的发展,基于相位光栅技术的波束分离器在亚毫米波长范围内得到了重要的应用,它能够将单个本地振荡器信号经过分束同步传送到超导SIS/HEB混频器阵列接收机中。由于太赫兹频段相位光栅的特征尺寸在亚微米级,其加工精度直接影响器件性能,给微加工技术带来巨大挑战。基于此,笔者所在课题组结合相位编码超材料技术设计了一种新型的太赫兹四波束分离器,仅需利用单层超材料编码单元便可实现宽带电磁波束的分离,波束转换效率高,结构简单且易于加工,同时反射波束的方向可灵活调节。为了与实际测试系统相匹配,着重研究了不同入射角度下的波束分离,并得到了最佳的斜入射角度范围（小于30°）,相对工作带宽可达52%,反射的四个波束功率相差不超过10%,这为太赫兹频段射电望远镜超导混频器阵列接收机的本振信号功率分配提供了新的解决方案,也有利于其他新型太赫兹功能器件的设计和发展。     

可调谐超材料太赫兹多频带阻滤波器理论研究

超材料的发展为太赫兹技术提供了良好的载体,使太赫兹器件得到飞速发展。滤波器作为其中重要的功能器件,实现了太赫兹波段的单频和多频滤波。文章提出了一种新型超材料太赫兹滤波器结构,该结构可同时应用于LC谐振和偶极谐振,实现了太赫兹滤波。重点对几何参数对器件滤波性能的影响规律进行了研究,通过优化滤波器关键结构参数,实现了良好的双频带和三频带太赫兹滤波。     

基于几何相位超表面的高效独立双频点圆偏振太赫兹波束调控

为了克服超表面普遍具有的波长依赖性,提出了一种基于几何相位的多功能超薄超表面,在双频点处对透射圆偏振太赫兹波实现独立波前调控。该超表面单元由表层金属层和中间介质层组成,其中表层金属图案相同,均是由双C型开口环谐振器、中间金属圆环和长方形金属片谐振器构成。通过分别旋转表层金属谐振器,可以控制交叉偏振透射光具有相同的振幅和不同的相位。将单元结构按照特定的规律排列,可对入射波的波前实现任意调控,例如,在低频f₁=0.701 THz,分别实现了携带拓扑电荷数+1、+2、+3、+4的涡旋波束,其纯度均在60%以上;在高频f₂=1.663 THz,实现了对入射圆偏振波的汇聚,且焦距误差仅为0.04。仿真结果表明,设计的超表面在双频点处对电磁波具有良好的调控。     

电磁超材料吸收器的研究进展

基于电磁超材料的电磁谐振吸收器通过合理设计器件的物理尺寸及材料参数可对入射到吸收器的特定频率的电磁波实现100％的完美吸收,因而受到国内外学术界的高度关注.综述了当前国内外基于电磁超材料的电磁波完美吸收器在微波和太赫兹波段的研究进展,分类介绍了吸收器的结构及性能特点,最后对电磁超材料吸收器的发展趋势和待解决的问题作了探...     

THz modulator based on the Drude model

An amplitude modulator for the terahertz (THz) range is designed. The Drude model is adopted, in which the collision damping is independent of the carrier energy. The Si block with 808 nm laser is illustrated, and it will generate the photocarriers. The injected photo-carriers will change the conductivity and dielectric of the sample, which have direct relationship with the absorption coefficient of the THz wave, hence to control the characteristics of the THz wave in the sample. By changing the light intensity, due to the different photon-generated carrier concentrations, the single transmission of the THz wave in the silicon substrate is changed remarkably.     

光控电磁超材料研究进展

电磁超材料是由亚波长尺寸单元周期或非周期排列组成的人工结构,能对电磁波的频率、幅度、相位和极化等基本物理特征进行调控,突破了传统材料的限制,可实现很多自然界不存在的有趣物理现象及应用。过去二十余年,超材料因其强大的电磁调控能力一直是物理领域的研究热点。但无源超材料在电磁波调控中存在局限性,如工作频率固定、实现功能单一等...