太赫兹超材料及其成像应用研究进展

电磁超材料因具有特殊的物理性质以及在电磁波操控方面的重要应用而备受关注。本文综述了太赫兹超材料及其成像应用的研究进展:首先介绍了太赫兹超材料的研究概况,重点讨论了可调谐与可重构太赫兹超材料、太赫兹数字编码与现场可编程超材料的研究进展;在此基础上,阐述了太赫兹超材料在成像领域的应用,包括基于超表面透镜、超材料吸波器、可重构超表面和现场可编程超表面的太赫兹成像技术;最后讨论了太赫兹超材料及其成像应用发展趋势。功能可重构及智能化将是太赫兹超材料的重要发展方向,而新兴的信息超材料融合了超材料与信息技术也将使太赫兹成像更加高效便捷。     

基于介质粒子亚波长共振的片上光操控研究进展

近年来,超构材料尤其是超构界面引起了物理学界的广泛关注,通过在界面处引入相位的不连续,从而实现对波前的任意操控并且实现各种特异的光学现象,这些超构界面采用金属纳米结构或者介质粒子,在界面处实现了高效的反常反射、折射和透射。然而到目前为止,这些对光束的操控都是基于对平面外传播光束的作用。光子学发展的核心方向之一是实现片上的大规模光子集成,片上光操控能够为光子回路、滤波以及复用等功能器件提供新的机理和方法,因此探索在片内实现可集成的光束操控机理至关重要。本文将介绍利用高折射率介质粒子的共振特性,通过巧妙的设计实现片内操控的各种光学奇异现象和波前调控功能的理论和实验进展,通过在构成垂直超构界面的粒子中激发特殊的共振态从而引起奇异的散射场,获得了结构简单、高效、宽频而且在面内传输的新机理片上光学元件,其CMOS兼容和可片上集成的特性增加了在片上光互连的实际应用价值。     

超材料吸波器的极化特性研究进展

超材料由于具有吸波特性而引起了人们的极大兴趣.简要介绍了超材料产生吸波的原理,并着重阐述了吸波超材料在微波段、光波段以及太赫兹波段的极化特性和相应超材料吸波器结构的模拟及实验研究进展.这种超材料的吸波特性在军事和民用上具有潜在的应用价值.     

太赫兹超表面计算全息

全息术是一种三维成像技术,它已经被应用于多种实际场景。随着计算机科学与技术的迅猛发展,计算全息由于其方便和灵活的特性,已经成为一种广泛应用的全息成像方法。本文回顾了我们近期基于超表面的太赫兹计算全息研究进展。其中,作为全息板的超表面展示出了超越传统光学器件的独特性能。首先,利用超表面实现了对于全息板每个像素的相位振幅同时且独立的调控,进而实现了高质量全息成像。这种新的电磁波操控能力也带来了新的全息成像效果,如利用介质超表面实现了全息像沿传播方向上的连续变化。其次,对超表面在不同偏振态下的响应进行设计,分别实现了线偏振态与频率复用、圆偏振态复用、以及基于表面波的偏振复用超表面全息术。此外,本文提出了依赖于温度变化而主动可控的超表面全息术,为今后计算全息术的设计与实现提供了新的方案,也推动了超表面在实际应用方面的发展。     

基于高阻硅超表面结构的太赫兹聚焦透镜设计

本文利用亚波长硅圆柱组成的超表面设计了用于太赫兹探测器的聚焦透镜,通过改变硅柱的直径,实现对太赫兹波传输相位0～2π的调控。在1 THz频率下,所设计的单面超表面透镜,太赫兹波电场能量密度提升到入射平面波的32倍。基于工艺制备可行性和抗反射考虑,提出了一种双面超表面透镜,将电场能量密度提升到入射平面波的44倍。对比于传统超半球太赫兹硅透镜,超表面透镜具有厚度薄,体积小的优点,有利于太赫兹探测器组件的小型化,为实现与太赫兹探测器的集成提供了可能性。     

基于石墨烯超表面的效率可调太赫兹聚焦透镜

本文提出了一种基于石墨烯超表面的效率可调太赫兹聚焦透镜.该超表面单元结构由两层对称的圆形镂空石墨烯和中间介质层组成,其中镂空圆形中间由长方形石墨烯片连接.该结构可实现偏振转换,入射到超表面的圆偏振波将以其正交的形式出射,如左旋圆到右旋圆偏振转换.利用几何相位原理,通过旋转长方形条的方向,透射波会携带额外的附加相位并能满...     

单向纤维复合材料声学超表面

声学超表面是一种能够调节声波反射、透射和吸收特性的超薄人工结构,对于空间受限的应用领域具有重要价值,目前声学超表面主要借助超构材料来实现。提出一种非超构材料的新型声学超表面,采用单向纤维周期复合材料对声波进行调制,实现了声波的定向反射调控。借助复合材料细观力学方法,采用均匀化理论和优化方法设计周期复合材料单胞的组分,使单胞具有特定的等效力学性能与声学性能,并满足特性阻抗匹配,从而形成超表面所需的声速梯度分布。通过能带分析获得了单胞纵波波速与频率的关系,显示出复合材料超表面的宽频特性。定向反射仿真展示了复合材料超表面操控声波的有效性,并验证了对于垂直入射声波纵波是影响波控性能的主要因素。研究工作为声学超表面及其他声学波控装置的设计提供了一种新途径。     

基于扭转悬链线结构的高效手性吸波器

近年来,超构表面(metasurface)作为一种人工二维结构由于其超薄的几何结构以及灵活的电磁调控能力受到了学界的广泛关注,如何进一步提高超构表面器件的性能成为了该领域的研究热点。悬链线电磁学(catenary electromagnetics)作为一类新兴的超构表面设计原理为设计高效率超构表面器件提供了新的思路和方法。本文提出了一种基于扭转悬链线结构的超构表面,其能够实现对不同旋向入射的圆偏振电磁波的高效选择性吸收。仿真结果表明所设计的器件在工作波长处对左旋圆偏振电磁波吸收率接近于1,而右旋圆偏振入射时吸收率小于22%,其对应的二向色性大于78%。同时,文章分析了产生高效率手性吸收的物理机制并且提出了一种基于该类结构的信息加密方法。该工作在手性成像与手性探测等领域具有一定的应用前景。     

等离子体中太赫兹波传输及成像探测特性研究

本文根据散射矩阵方法模拟等离子体并建立了非均匀等离子体理论模型,并在此基础上计算了0.1 THz^10 THz频段的全波段太赫兹波在其中的传输特性。根据介质阻挡放电原理在实验室环境下搭建等离子体射流产生装置并产生非均匀等离子体,进行了太赫兹时域光谱(THz-TDS)以及宽带太赫兹源在等离子体中的透射光谱测量以及太赫兹波对等离子体遮挡下目标物的反射成像的试验。理论和实验结果均表明,较高频太赫兹波在等离子体中有良好的穿透性,这为太赫兹波在黑障区的通信以及雷达探测应用打下研究基础。     

航天科工二院二○三所首次研建国内太赫兹脉冲波形校准系统

<正>本刊讯近日,航天科工二院二○三所通过开展"太赫兹电脉冲产生与测量技术预先研究"项目,在国内率先具备太赫兹脉冲波形的校准能力。系统实现了半幅度脉冲宽度小于8ps、上升时间小于6ps的太赫兹脉冲的产生,脉冲宽度仅为传统电脉冲的1/3,系统测量带宽比传统宽带示波器提升6倍以上,具备了超高速、超带宽光     

生物信息转化:从离子学到量子离子学

传统的神经记录技术是基于从离子学到电子学的生物信息转换,虽被广泛研究,但其在神经科学和脑科学领域进展很小.最近,生物离子通道中的离子和分子流动被看作是量子限域超流体,即离子和分子的量子态可作为生物信息载体,其吸收光谱在太赫兹范围内,因此太赫兹光可以作为一个工具来实现生物信号的非接触检测.我们提出两种研究方案:一种是利用...     

硅太赫兹波导配置及性能分析

针对现有太赫兹辐射源在输出频率可调性及输出功率方面的局限性。本文从非线性介质的Maxwell方程入手对非线性聚合物的光学性质进行理论分析,建立硅波导配置的数学模型。利用硅材料的高折射率,设计了硅太赫兹波导。分析了太赫兹波导模式图,讨论了硅太赫兹波导模式的有效折射率、波导损耗、连续波输出功率与输出频率的关系,实验结果表明:硅太赫兹波导产生的太赫兹波连续可调,输出太赫兹波频率范围宽至0.1THz到15THz,输出功率可达到微瓦级。     

太赫兹波计算鬼成像:原理和展望

本文立足于太赫兹波成像领域近年来备受关注的研究热点—太赫兹波计算鬼成像,首先回顾了鬼成像从量子到经典再到计算的历史过程,然后阐述了计算鬼成像的数学原理,随后综述了计算鬼成像在太赫兹波段的发展历程,及其在超衍射分辨成像、石墨烯光电导成像、太赫兹光谱成像等方面的应用,并在最后展望了太赫兹波计算鬼成像的发展前景:计算鬼成像作为一种成像手段,可以绕开在太赫兹频段缺乏经济高效的焦面阵列式探测器的难题,但目前的成像帧率还难以满足快速成像的应用需求,相信在未来随着器件性能的提升和成像算法的优化,其成像帧率可以得到大幅提升。     

太赫兹成像技术在肿瘤检测中的应用

太赫兹(THz)波是频率位于0.1 THz^10 THz的电磁波。因其具有非电离性,以及可与多数生物分子产生共振响应等特性,在生物医学领域有着巨大应用潜力,尤其在肿瘤检测方面。太赫兹成像技术作为生物医学领域一种新的成像技术,吸引国内外多个研究小组对其开展深入研究。本文列举分析了多种太赫兹成像技术在肿瘤检测的应用,其中可分为太赫兹扫描成像、太赫兹层析成像、太赫兹全息成像以及太赫兹近场成像,介绍了这些成像方式的基本原理以及国内外研究现状,最后对太赫兹成像技术在生物领域的未来做出展望。     

硅材料的太赫兹波频域特性分析

对不同电阻率的N型硅材料(电阻率从5~100Ω.cm)在太赫兹波波段的折射率、消光系数和吸收系数等特性参数,利用返波振荡器(BWO)太赫兹波系统进行了测试、计算和分析,得到N型硅在0.23 THz到0.375 THz频段范围内的光学特性.表明在这一波段N型硅的太赫兹波吸收系数随着电阻率的增加而减小,吸收系数最小值可达到3.39×10-4cm-1.分析表明,它将是潜在的太赫兹波波导的最佳候选材料.     

超表面光场调控专题导读

<正>作为一种新概念，超(构)表面通过对亚波长尺寸的单元结构进行优化设计和合理排列，能够控制光的振幅、相位、偏振等光参量及其色散特性，进一步可以控制宏观波前分布，提供了一种强大的光场调控方式。得益于小像素尺寸和强光场调控能力，超表面在超透镜、分光器、雷达天线等应用领域已经展露锋芒，     

太赫兹时域光谱测量薄膜液体的测量极限

由于太赫兹波和薄膜样品的相互作用长度太短,其引起的测量信号相对于参考信号的改变很可能被系统噪声所掩盖。为了解决太赫兹时域光谱测量液体薄膜样品的测量准确性和可靠性评价问题,该文利用不确定度分析理论,从幅值变化和相位变化推导太赫兹测量薄膜液体样品有可信结果的样品厚度临界值模型,从而确定保证测量结果可靠性的临界判据,也就是能够被太赫兹透射式系统探测到的最小薄膜厚度。分析中考虑了在样品-载体交界面的菲涅尔透射、样品中的FabryPérot反射以及在太赫兹波在薄膜样品中的透射影响。该判据可以用来确定一个太赫兹系统的性能是否足够可靠地测量特定厚度的薄膜液体样品。     

基于氧化钒的动态超表面（英文）

动态调控是现代光学器件中必不可少的特性,在激光雷达系统、显示器件以及数码相机等设备中具有重要意义.与传统的体光学器件相比,动态超表面为实现小型化和集成化智能光学系统提供了一个极具吸引力的解决方案.相变材料具有高的折射率对比度和易于操控的特性,是设计动态超表面的理想材料.本文通过操控氧化钒的相变,在近红外区域设计实现了可调谐的超构透镜和可切换图像编码的超表面器件.通过控制氧化钒的相变,能够改变超透镜的聚焦强度,实现强度对比约为12倍的开关聚焦效果.此外,利用氧化钒的相变还设计实现了任意两个不同数字图案的可切换成像.本工作为实现动态成像和光学加密系统的可调谐超表面奠定了基础.     

采用局域共振超材料混凝土提升结构消波防护性能：综述和展望

超材料是一种通过设计获得的人造材料,具备自然材料所不具备的超常物理性能,这种特殊性能并非来自于材料组分,而是来源于经过特别设计过的人工结构。超材料最初源自电磁学领域,可表现出频率禁带(带隙),即在该频谱范围内,电磁波传输将被有效抑制。这种能对电磁波加以操控和处理的特性为解决各类工程问题提供了方便,激发了人们将其迁移至其他学科领域的热情。随后,声学超材料被提出,可对声波进行类似的操控,实现消声和隔音。与之相似,力学超材料也应运而生,可利用带隙特性对应力波进行处理,实现消波、滤波,提升结构的防护性能。超材料混凝土是力学超材料在土木工程领域的一项具体应用,其利用人工骨料的局域共振行为产生带隙,实现特定频率应力波的阻断。可见,超材料混凝土从波的操控角度实现了防护性能,与传统防护材料通过强度、韧性实现防护目的的本质不同,具有明显的创新性,开展相关研究对提升结构的防护性能具有重要意义。本文对超材料混凝土自提出至今的主要研究进行系统梳理,立足于工程应用视角,对超材料混凝土消波的实际验证、共振骨料带隙特征及设计准则、共振骨料空间分布及掺量效应、动荷载下的能量转移规律、共振骨料的改造五个方面进行综述,最...     

吸波超材料研究进展

吸波超材料由于其独特的电磁特性,在过去十几年内成为吸波功能材料领域的研究热点.本文通过对近些年吸波超材料报道的归纳总结,对吸波超材料的研究进展进行介绍.经过多年来的发展,吸波超材料从最初的单一功能窄频段吸波特性逐渐向宽频带、宽角度入射、可智能调节等多功能方向发展,而在吸波频段的研究也由微波频段扩展至太赫兹、近红外、可见...