消色差复合宽带太赫兹波片的优化设计

采用模拟退火算法设计了0.2～2.0THz和0.2～3.0THz两个波段下的消色差复合太赫兹λ/4波片,在0.2～2.0THz波段内实现了波片相位延迟偏差小于2%,在0.2～3.0THz波段内波片相位延迟偏差小于4%。系统分析了不同石英玻片个数对消色差复合太赫兹波片的消色差性能以及厚度和损耗等关键参量的影响。分析表明,随着石英玻片个数的增加,波片的消色差性能也会变好,在相应太赫兹波段相位延迟失谐量也随之减小;但同时,波片的厚度也随之增加,导致对太赫兹波的损耗增加。在0.2～2.0THz和0.2～3.0THz范围内,太赫兹λ/4波片采用5个玻片为最佳,此时可以获得较好的消色差性能,同时波片的厚度和损耗也在可实际应用范围内。     

大视场太赫兹光学成像系统设计

太赫兹（THz）波具有较高的透过性和时空分辨率等特性,在空间观测领域具有广阔的应用前景。对比于扫描成像,凝视成像具有成像性能高、速度快、结构简单等优点,而大视场成像是凝视型光学系统所必需的。因此,设计大视场凝视型THz光学系统具有重要的工程应用价值。采用反远距结构,利用Zemax设计了一款相对孔径为1、全视场角为60°的大视场THz光学成像系统。该系统采用4片式反远距共轴结构,由2片球面透镜和2片非球面透镜组成,同时透镜材料采用聚甲基戊烯（TPX）材料,整个系统具有结构紧凑、质量轻等优点。优化结果显示,各视场内的弥散斑均方根半径均小于艾里斑半径,在空间频率为12.5 lp/mm处全视场的调制传递函数（MTF）值高于0.3,表明该系统具有良好的成像质量。此外,公差分析结果表明,该系统具有较好的稳健性,加工工艺水准易于实现,符合设计要求。本设计对于THz空间大视场高分辨探测具有重要参考价值。     

宽带消色差红外光学超构透镜研究进展（特邀）

超构透镜是由亚波长散射单元结构排列而成的具有聚焦功能的平面二维超构表面。超构表面能够在亚波长尺度上操控光场的振幅、相位、色散和偏振态,是近年来迅速发展起来的新型光场调控载体。亚波长共振纳米结构使得高阶衍射被抑制,入射光场可以完美地被调制到设计的衍射级次上,从而确保了超构表面器件具有高的光子调控效率。同时,超构单元在设计上的灵活性及其特定的电磁响应使得超构表面可以实现对光场多个维度的定制化操控。不同于传统光学透镜依赖光传播的相位累积效应,宽带消色差超构透镜通过对光场相位和相位色散的同时独立调控解决了传统通过级联多个透镜修正色差造成的光学系统复杂和体积庞大限制,为发展小型化片上集成光学提供了全新的思路。文中围绕超构透镜的相关研究,首先介绍了超构表面调控光场振幅、相位和偏振态的基本原理,在此基础上,重点回顾了近年来关于超透镜的研究发展,包括通过单一参量调控的单波长超透镜的实现,以及通过对光场偏振、相位及相位色散的多参量联合调控的多功能宽带消色差超构透镜的发展现状,最后讨论其进一步发展的可能挑战与应用前景。     

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。     

基于波前编码的消色差稀疏孔径超构透镜

光学稀疏孔径技术以其所具有的降低透镜加工面积、增大数值孔径和提升分辨率的能力被应用到超构透镜的设计和优化中。然而,目前稀疏孔径超构透镜的研究仅限于单波长,通常难以应用到宽波段成像领域。笔者基于波前编码和稀疏孔径技术设计了一种消色差稀疏孔径超构透镜。该消色差稀疏孔径超构透镜在加工面积降低至全孔径超构透镜25%的情况下,在可见光波段（400～700 nm）可实现与理想透镜一致的分辨率。该消色差稀疏孔径超构透镜既实现了对可见光波段的消色差,又解决了大孔径超构透镜的加工难题,具有加工成本低、消色差范围大、成像清晰等特点,在图像采集领域具有重要的应用价值。     

超表面透镜的宽带消色差成像（特邀）

超透镜是一种由二维亚波长阵列结构表面所设计的透镜,其对光场中振幅、相位和偏振的调控能力较灵活,同时具有低损耗、易集成、超轻薄等优点,近些年引起了科研人员广泛的研究兴趣。然而在大多数情况下,针对特定波长设计的超透镜会遭受较大的色差,从而限制了其在多波长或宽带应用中的成像作用。超透镜因其二维平面结构引入了新的自由度,在对色差的消除上体现了新的潜力。文中报道了多种不同的消色差超透镜设计及其消色差调控机理,并对现有的消色差超透镜从调制波段类型进行了分类,如对离散波长的和对连续波长的消色差超表面透镜,后者又可从工作模式上分类为透射型和反射型,最后介绍了超透镜阵列在成像上的应用以及其在大景深宽带消色差器件上的前景。     

准光技术在太赫兹技术中的应用北大核心CSCD

太赫兹技术是近些年电磁领域的一个重要研究热点,有大量研究文献。本文首先阐述了当把各个太赫兹组件集成以构建太赫兹系统时需解决的一个重要问题,太赫兹信号的传输与组件连接。接着介绍准光技术的特点,说明准光技术在构建太赫兹系统时的应用,给出了包括成像系统在内的一些系统构建例子,同时给出用准光技术实现功率合成与波束扫描太赫兹天线的例子。     

基于合成超构材料的太赫兹调制器设计

为了研究利用新型器件提高辐射控制的能力,利用合成超构材料演示了一种太赫兹有源调制器的设计。该结构采用三维设计,除通过电压调节基底耗尽层载流子复合之外,还通过悬臂结构调节该结构的等效电磁参数,最终达到有效调节器件响应的目的。研究表明该器件能够实时、有效地对太赫兹辐射进行控制和操作。其对透射率的调制可达75%,频移0.1 THz,优于目前基于二维平面方法设计的太赫兹调制器件。     

硅基太赫兹集成电路研究进展北大核心CSCD

太赫兹波处在亚毫米波与远红外光之间,应用于无线通信具有比微波通信更大的传输带宽和传输速率,在大数据无线通信等方面具有巨大的应用潜力。特征频率逐渐达到太赫兹频段的硅基集成电路工艺,为高集成度低成本太赫兹通讯电路的实现提供了可能。本文综述了近年来硅基太赫兹集成电路的研究进展,论述了硅基太赫兹集成电路设计在有源器件模型、互连结构、电路设计方法等方面面临的挑战,并对硅基太赫兹集成电路的发展趋势进行了讨论。     

太赫兹全金属超构表面的极化无关准BICs研究

提出一种具有高Q值的太赫兹全金属超构表面。该超构表面由4个菱形孔组成,改变相邻菱形孔的尺寸,可以打破结构的对称性,产生准连续域束缚态(BICs);改变入射波的极化角度,激发的准BICs频率保持不变,超构表面具有极化不相关特性。优化结构参数,仿真结果表明,当尺寸偏差为3 μm时,产生的准BICs实现了小于1 GHz的超窄带宽,对应Q值大于1 300。实验测试结果显示,加工的样品(偏差30 μm)测试Q值为40。相比于圆孔结构,菱形孔结构由于尖锐的转角可以实现较强的束缚场。本文提出的具有极化无关准BICs的超构表面在实时化学和生物分子传感中具有巨大的实际应用潜力。     

宽带消色差平面透镜的设计与参量分析

大尺寸、大数值孔径、宽波段的消色差平面透镜设计是成像技术的一个瓶颈性问题,也是近年来超构透镜研究领域的一个重要挑战,主要原因是透镜的各个参量之间存在内禀的制约关系。文中结合消色差透镜的群时延理论及透镜的相位分布,通过理论分析给出各参量之间的半定量制约关系。同时,分别通过拓扑优化和直接二值搜索的方法,设计了不同参量下的消色差超构透镜和多阶衍射透镜,发现在保持效率80%左右的前提下,透镜尺寸增加了一倍,数值孔径或波段宽度减少了一半,而透镜厚度则随尺寸成线性增长。该结果表明,这两类平面透镜具有相同的內禀参数依赖关系,即透镜尺寸与数值孔径和波段宽度呈现反相关、与透镜厚度呈现正相关的关系,这与理论预测基本一致。     

用于太赫兹空间传输的透镜设计及验证

太赫兹激光作为大角度发散的高斯波束不能简化为平面波或球面波.经典电磁理论和ABCD法则传输理论建模显示: 正透镜实现太赫兹激光束的会聚, 会聚后其像距明显小于透镜的焦距;焦距和太赫兹激光光束波前半径相匹配的负透镜可以实现太赫兹激光束的准直.实验证实f′=-188, 的负透镜位于与太赫兹激光光束波前半径相匹配的位置时, 即z=100 mm, 太赫兹激光的发散角从6°提高到0.1°,20 m传输实验中, 负透镜准直探测方案比正透镜准直探测方案更加简单有效.     

基于介质透镜的太赫兹引信天线技术

介绍了太赫兹频段引信天线的优缺点与背景需求。为实现太赫兹频段引信天线工程应用,分析了介质透镜天线在太赫兹频段的工作原理及应用特点,采用H面喇叭嵌装介质透镜天线形成太赫兹频段引信天线,可以有效缩短H面喇叭天线的纵向尺寸。并利用透镜的偏焦技术形成不同波束倾角的引信天线,对不同波束倾角的太赫兹引信天线进行了仿真计算,仿真计算结果验证了该技术方案的可行性。     

太赫兹3D打印透镜综述

太赫兹波由于其独特的电磁特性可应用于超高速率无线通信、生物化学物质检测以及高分辨率成像等领域。但由于太赫兹波的物理波长小,传统适用于低频的加工工艺难以满足其加工精度的要求;而微纳米加工工艺又具有加工复杂、成本高等缺点。3D打印技术的发展为太赫兹器件的加工提供了新的选择和更多的设计灵活度。文章介绍了香港城市大学太赫兹与毫米波国家重点实验室在3D打印太赫兹透镜方面的最新研究动态和实验研究新成果,包括基于3D打印的太赫兹高增益圆极化透镜、近场聚焦圆极化透镜、贝塞尔波束生成透镜的设计,高精度3D打印方法的探索以及太赫兹天线测试方法等。太赫兹3D打印透镜天线具有低成本、低损耗、能快速成型等特点,可应用于不同的太赫兹场景中。     

太赫兹大孔径折射透镜的焦移特性研究（英文）

研究了利用大孔径折射透镜对太赫兹波进行聚焦时产生的焦移效应。焦移效应所引起的焦点位置偏差会对太赫兹系统的成像或测量质量产生不利影响。通过理论计算和有限元分析仿真,研究并讨论了与透镜孔径、焦距和工作频率有关的焦移参考值。当使用商用透镜时,实际焦点位置需要通过焦移效应来确定,以保证太赫兹系统的工作效率。对于定制透镜的设计,焦移需要根据工作频率,在焦距的设计中进行补偿。这两个途径可以保障太赫兹系统的良好性能。     

典型目标的太赫兹散射算法研究北大核心CSCD

本文对太赫兹波段下典型目标的电磁散射算法问题进行研究。该算法采用射线弹跳法（SBR）,主要分为建模,剖分,面散射计算,物理光学的积分求和,和计算雷达散射截面积（RCS）五个步骤,得出目标散射体在太赫兹波段下RCS随观察角的变化曲线,并利用CST仿真软件设置相同的条件来验证算法的正确性。最后,本文探究了太赫兹波段下和微波波段下散射体的特性,深入讨论在不同波段目标物体的散射场特点。     

基于超光栅的3D打印全介质太赫兹超透镜

超透镜是基于超表面和超光栅的器件,可实现对入射光振幅、相位、偏振等的灵活调控,具有轻薄、易集成的特点。但超透镜的制作周期时间长、成本高,寻找一种易加工、低成本、高效的方法制造超透镜是非常有必要的。本文设计了一种高效波前控制电磁波的太赫兹(Terahertz, THz)全介质超光栅,当电磁波垂直入射时,超光栅将电磁波束弯曲至T_-1衍射级。通过仿真模拟可知,当P偏振光入射时,可将83.44%的透射能量集中在T_-1衍射级,S偏振光入射时可达到82.73%。基于设计的超光栅,当0.14 THz电磁波入射时,设计了数值孔径为0.39的超透镜,利用3D打印技术加工工艺制备,并搭建扫描测量系统验证该设计。测量结果表明,超透镜焦距为114.5 mm,与仿真设计相一致,同时测得了光斑的大小,最后搭建的THz透射成像系统表征了超透镜的成像能力。这项工作在光学传感、通信和超分辨率成像中具有潜在的应用价值。     

碳纳米材料太赫兹无源元件与天线研究进展北大核心CSCD

简述了碳纳米材料(包括碳纳米管与石墨烯)无源元件和天线方面的一些研究进展,主要集中在高频率特别是太赫兹频段。首先简要回顾了碳纳米材料电感、电容、谐振器与滤波器方面的进展,然后是基于碳纳米材料的太赫兹天线研究概述,最后简要介绍了本课题组在相关领域的一些研究成果。此外还评估了碳纳米材料在这几种应用中的优势,展望了未来太赫兹频段的一些研究方向。     

基于太赫兹时域光谱的塑化剂定量分析北大核心CSCD

利用太赫兹时域光谱结合化学计量学对塑化剂定量检测技术进行了研究。提出了一种利用太赫兹透射光谱测量超薄液体样品光学常数的新方法。利用该方法,以一种典型塑化剂——邻苯二甲酸二丁酯(DBP)为例,采用内径为200μm的比色皿作为样品载体测量了不同浓度DBP-无水乙醇和DBP-乙醇-水溶液在太赫兹波段下的折射率和吸收系数。结果表明随着DBP含量的增加,DBP-乙醇溶液和DBP-乙醇-水溶液在太赫兹波段(0.2~1.1THz)的光学参数随DBP浓度均呈有规律的变化。根据吸收系数面积、平均折射率相对DBP浓度变化曲线建立了未知溶液DBP含量的预测模型。该研究表明太赫兹时域光谱技术可能成为快速检测白酒等含乙醇饮料中塑化剂含量的新方法。