太赫兹频段高折射率超材料的设计和特性研究

设计了太赫兹频段的高折射率超材料,该结构是通过在介质板的两侧对称的蚀刻"双开口环"型金属贴片而构成.研究结果表明:当电磁波垂直入射的情况下,谐振频率(0.52THz)附近的折射率高达200,且在0.51THz到2THz频段范围内,折射率均大于70.该超材料具有结构简单、便于加工,宽带等优点,在太赫兹波通信、成像等方面有广阔的应用前景.     

基于分形结构的太赫兹超材料吸波体

基于分形结构在太赫兹频段设计了一种超材料吸波体,发现该吸波体出现双频点吸收现象.仿真研究了衬底厚度对吸波体吸收率的影响,调节衬底厚度可以实现吸波体与自由空间的近似阻抗匹配.第一谐振点A在衬底厚度为5.4μm时的吸收率最高,第二谐振点B在衬底厚度为1.4μm时的吸收率达到99.9%.随着分维数的增加,谐振频点B逐渐向高频移动,吸收效率几乎保持不变.仿真结果表明,通过调节分维数,可以设计不同频点的吸波体.对双层结构和三层结构进行仿真优化,设计了宽频带吸波体.     

宽带太赫兹超表面带通滤波器

提出一款宽带太赫兹超表面带通滤波器,测试得到滤波器中心频率为0.344 THz, 3 dB带宽为56.6%。在对样品进行太赫兹时域光谱测试时,发现氮气的引入能够有效降低空气中水吸收引起的损耗。与以前报道的金属-介质-金属结构的带通滤波器采用电磁场或表面电流和电路模型进行物理机理描述不同,采用两种理论模型对带通滤波器分别进行了宽带传输的物理机理研究。一种是多重散射理论,一种是耦合模理论,这两种理论模型的拟合与实验测试和仿真结果一致,从而为太赫兹、微波和光波段的多层宽带超表面带通滤波器的设计提供了重要的理论指导。     

电磁超材料吸收器在太赫兹波段的研究进展

基于电磁超材料的太赫兹吸收器通过合理设计结构尺寸和材料参数能够实现近完美吸收,因而受到学术界的关注,近几年对太赫兹吸收器的研究发展很快.本文综述了基于电磁超材料的太赫兹吸收器的研究进展,分别从理论、结构和性能对太赫兹吸收器的研究进行了介绍,最后对太赫兹吸收器的未来发展和待解决的问题进行了探讨.     

多层电磁超材料在太赫兹技术中的应用研究进展

基于电磁超材料的电磁谐振通过合理设计可以实现太赫兹波段的频率响应,为太赫兹波调控开辟了新的道路,特别是利用多层电磁超材料设计的太赫兹功能器件.本文综述了当前国内外基于多层电磁超材料在太赫兹波段技术的应用研究进展,分类介绍了其在太赫兹滤波器、吸收器、偏振器等方面的应用,最后对多层超材料在太赫兹技术应用的发展趋势作了探讨.     

基于狄拉克半金属超材料的太赫兹吸波体研究

设计了一种基于狄拉克半金属的超材料太赫兹宽频及双频吸波体.该吸波体由三层结构组成,上层为狄拉克半金属层,中间为介质层,底层为金属基底.首先设计了U型的单峰吸波体,该吸波体能够实现在6.02THz处的完美吸收.通过研究单峰吸波体的表面电流分布可知,入射太赫兹能量的吸收主要来自沿U型臂方向上电场引起的电偶极子振荡.然后通过多个吸收峰叠加扩展带宽的原理,设计出了双频和宽频吸波体.仿真结果表明,本文设计的双频吸波体能够在5.33THz和5.86THz处实现94.7%及91%的吸收率,宽频吸波体在5.59THz到5.90THz之间吸收率可达90%以上.同时,利用狄拉克半金属电导率的可调节性,通过改变狄拉克半金属的费米能级,无需优化几何结构和重新制造结构,便可以实现共振吸收峰频率的动态调谐.     

基于纳米复合材料的太赫兹滤波器研究

为了克服高阻硅片过低的太赫兹透过率和激光阈值,通过放电等离子体烧结(SPS)工艺制备了一种新型纳米复合材料,可以作为透过太赫兹波、隔离飞秒激光的高效太赫兹滤波器件.器件整体设计原理主要基于瑞利散射,粒径100nm左右的纳米颗粒可以选择性地使太赫兹波高效透过,透过率最多达90%,远超高阻硅片50%的透过率,并且可以散射掉大部分波长为800nm的高能激光.器件由太赫兹频段吸收率很低的金刚石纳米颗粒和真空球磨得到的高阻硅颗粒组成,金刚石的高熔点提高了激光阈值,疏松多孔的结构进一步减少了太赫兹波段菲涅尔反射损失,器件整体性能优异.     

基于二氧化钒的可调双宽带太赫兹超材料吸收器

基于VO₂的相变特性提出一种具有双宽带特性的太赫兹超材料吸收器,包括对角放置的VO₂图案层、电介质层以及金反射层共3层结构。对吸收器的结构建模、吸收效果及吸收特性等进行了仿真分析,仿真结果表明,所设计吸收器吸收率大于90%的两个带宽分别为0.73 THz和0.6 THz。在通过热控制诱导VO₂从绝缘态到金属态的相变过程中,吸收率分别在31%～93.1%和30%～95.2%之间实现连续可调。另外,通过研究不同偏振角及入射角下所设计超材料吸收器的吸收性能发现,该吸收器具有偏振无关、偏振不敏感以及大入射角吸收特性。所设计吸收器有望在如太赫兹通信、成像和探测器等利用太赫兹波段领域得到广泛应用。     

基于平行金属线的太赫兹准全向超材料吸波体

该文基于平行金属线设计了一种具有准全向吸波特性的太赫兹超材料吸波体,其准全向吸波特性是通过提高超材料的结构对称性实现的.理论和仿真结果表明:随着超材料结构对称性的提高,超材料吸波体的极化敏感度逐渐降低直至达到任意极化吸波.仿真的不同入射角下的吸收率与表面电流分布表明:平行于介质基板的磁场分量在平行金属线之间激发的反向平行电流导致了结构的电磁谐振,因而在极宽的入射角下该超材料吸波体仍能对电磁波进行高效吸收.提取的等效阻抗实部表明:可以通过调节基板两侧金属线的尺寸,来实现吸收频率处超材料吸波体一侧与自由空间近似阻抗匹配,另一侧与自由空间阻抗不匹配,从而使得反射和传输同时最小、吸收最高.仿真的能量损耗分布表明:该吸波体的强吸收主要源于基板的介质损耗.该太赫兹吸波体可能在爆炸物探测和材料识别等领域具有广泛的应用.     

太赫兹技术与在太赫兹波段的超光速研究

首先综述了太赫兹电磁辐射的性质和特点、太赫兹电磁辐射的产生和探测、以及太赫兹技术的应用。文章重点介绍了太赫兹波段的超光速研究进展，这里以介绍英国Strathclyde大学Klaas Wynne等人的若干实验结果为主。     

Research of the terahertz dual-band notch filter based on FSS structures

In this paper, a dual-band notch filter for two-layer frequency selective surface （FSS） at terahertz （THz） frequency with high fil- tering performance has been realized on high-resistivity silicon substrates. With periodic metallic resonators patterned on the sili- con wafer, the designed filter can provide two tunable resonant frequencies for terahertz application. The transmission response was improved by introducing an extra surrounding pattern around the T-shaped structure, and the location of transmission drop was tuned independently with geometric parameters. Simulated by finite-integral time-domain method, the filter is designed to operate between 0.2 and 0.6 THz with dual-band band-stop performance, a salient feature of this design is making the low sensi- tivity of its frequency response to the incident angles, which allows to place the filter close to the radiation source with spherical wave fronts. The proposed structures were fabricated using photolithography and tested by THz time-domain spectroscopy system Experimental results show that the transmission response has more than 12 and 32 dB rejections near 285 and 460 GHz respectively, which is in good agreement with the simulation result.     

高性能电控太赫兹幅度调制器研究

设计了一种由具有高谐振强度的四开口圆环超材料结构和高电子迁移率晶体管(high electron mobility tran-sistor,HEMT)复合结构构成的电控太赫兹幅度调制器.将HEMT巧妙地设计在四开口圆环超材料结构的开口处,通过外加电压的方式调节HEMT沟道中的二维电子气浓度,改变超材料结构的谐振模式,进...     

基于CMOS晶体管的太赫兹探测器研究进展

随着太赫兹波的广泛应用,太赫兹探测技术成为研究的热点,探测器件主要以肖特基二极管,量子阱二极管,CMOS晶体管为主,CMOS晶体管探测器件具有响应度高,信噪比好,等效功率高等优点.首先介绍了太赫兹探测器的技术指标,接着从结构及材料两方面对近年来CMOS晶体管的改进方案进行了综述对比,最后介绍了太赫兹探测器的应用并对应用前景及未来发展方向进行了展望.     

基于RBF神经网络的异向介质基本单元分析

利用径向基神经网络(RBF神经网络)对异向介质的基本单元进行分析,建立异向介质等效介电常数及等效磁导率与介质敏感结构参数之间的神经网络模型.实验结果表明,该模型所得结果与全波分析相吻合,分析时间为138.465793s,训练平方和误差为0.0374879,满足工程要求.验证了该模型的可靠性及合理性,减少数值分析法由于厚度谐振等问题而引起的结果错误问题,解决了异向介质分析精度与效率难以共存的问题.     

基于双层电阻膜的宽频带超材料吸波体设计

设计了一种基于双层电阻膜的宽频带、极化不敏感和宽入射角的超材料吸波体,该吸波体结构单元依次由圆环电阻膜、介质基板、圆环电阻膜、介质基板和金属背板组成。采用时域有限差分算法对其进行数值模拟分析,仿真得到的反射率和吸收率表明:该吸波体在11.5～20.3 GHz范围内对入射电磁波有大于90%以上的强吸收特性。仿真得到的不同极化角和不同入射角表明该吸波体具有极化不敏感和宽入射角特性。进一步仿真得到各个结构参数对吸收率的影响表明:该双层电阻膜结构吸波体对电磁波的吸收主要是基于电路谐振机制,通过对介质基板厚度和电阻膜宽度、电阻值的设计可以对频率范围和工作带宽进行调节,使吸波体实现超宽带吸收。     

2020年光学超材料热点回眸

光学超材料一直是超材料学科中的重要组成部分之一,是超材料在信息科学领域中应用的重要体现.2020年,光学超材料领域的研究涌现出了一大批非常优秀的科技成果.围绕非线性光学超材料、人工智能超材料与光学超表面等方面回顾了光学超材料在2020年的研究热点.     

太赫兹时域光谱成像系统的研究进展

太赫兹时域光谱成像技术具有穿透性、超快时间分辨能力、指纹光谱特性、安全无辐射电离等显著特点,在物质成分光谱分析、工业材料无损检测领域具有独特的应用价值,成为近些年来的研究热点。基于此,从成像体制和成像算法两个方向进行介绍。在成像体制层面,全面介绍了逐点扫描成像、太赫兹焦平面成像、太赫兹光电导阵列成像等二维的成像方式,以及突破衍射极限的太赫兹近场成像技术;在成像算法层面,介绍了飞行时间成像和断层扫描成像技术等三维成像方式。列举了太赫兹技术在生物医学、无损检测、安防检测等领域的应用。最后总结了当前太赫兹时域光谱技术所面临的问题。     

基于能量差的加权均值递归滤波算法

对基于激光测量的管形零件内轮廓母线采样数据进行滤波.提出了基于能量差的加权均值递归滤波算法.该滤波方法中权值求取方法的思想是尽量给滤波窗口内能量频谱相对集中的采样数据赋予较大的权值,而给由于干扰引起的畸变数据赋予较小的权值.合适的滤波窗口长度通过仿真对比试验获得.这一思想的合理性通过仿真分析和实验测试得到验证,并表现出良好的效果.     

三维狄拉克半金属的太赫兹双频超材料吸收器

基于三维狄拉克半金属（3D DSM）的载流子迁移率高、可调谐性好的优点,开展了太赫兹波可调谐双频吸收器（THz MMA）的研制工作.研究表明,通过破坏微结构的对称性,THz MMA可以在太赫兹波段实现近似完美吸收,并且随着非对称度的增加,吸收峰从1.322 THz蓝移至1.721 THz,调制深度为23.2%,共振峰Q因子接近20.此外,通过改变费米能级,3D DSM吸收器的共振谱线可以在很大范围内调节,如费米能级在0.05~0.15 eV内变化时,低频（高频）吸收峰在0.826~0.993 THz （1.098~1.371 THz）内调节,相应的调制深度为17%（20%）.该研究结果对于设计高性能的太赫兹波器,如探测器、滤波器、传感器件等很有帮助.