人工电磁超材料的电磁波调控特性

人工电磁超材料具有自然界材料所不具备的电磁参数,并且拥有可设计性和可灵活调节性质,可实现对电磁波传播性能进行新的调控,是近年来的研究热点.本文介绍了一系列运用人工电磁超材料调控电磁波传播的功能器件,包括非对称电磁波传输器件、可调节电磁波吸波结构、电磁波极化调制器件,磁性光子晶体、磁性左手材料和基于超导薄膜的太赫兹人工电磁超材料,这些器件运用人工超材料的特殊物理特性和参数可设计性,具有全新的功能和优势,有效提高了对电磁波的调控能力.     

基于亚波长金属耦合腔光栅的太赫兹传感器

提出一种亚波长金属耦合腔光栅结构的太赫兹传感器。采用亚波长矩形腔结构单元,设计了谐振腔级联耦合的金属亚波长光栅。利用谐振腔与光栅导模共振的相干耦合作用,产生高品质因数的类电磁诱导透明模,形成腔诱导太赫兹波异常反射现象。异常反射模表现出显著的局域场共振增强效应,大大提升太赫兹波对分析物的感测能力。数值仿真表明,太赫兹波正入射的传感灵敏度可达到6-22THz/RIU,品质优值可高达55-152,同时具有宽达50°工作角的太赫兹感测能力,可适应大孔径角太赫兹波束的传感操作。     

基于石墨烯和超表面的EIT-Like太赫兹调制器

设计一种基于石墨烯与超表面相结合的类电磁诱导透明(EIT-Like)太赫兹主动调制器。研究结果表明：当石墨烯的费米能级从0.1 eV增加到0.9 eV时,透射振幅呈现下降趋势,并且出现红移现象,最后趋于平缓;同时,实现太赫兹波透射振幅调制深度达到301.6%,调制频率为70 GHz。该设计为太赫兹调制器提供了一种新途径,在太赫兹通信等领域具有潜在的应用前景。     

堆叠多层石墨烯的太赫兹电导研究

单层石墨烯具有可调的太赫兹电导,有望应用于制作新型太赫兹器件,然而这种调谐的变化范围有限,通过多层石墨烯的堆叠可以拓展石墨烯太赫兹器件的性能上限。本文通过太赫兹时域光谱研究了石英衬底上不同层数堆叠的石墨烯的太赫兹透过特性,并使用Drude模型以及菲涅尔定律对实验结果进行了理论模拟。实验数据与理论结果的匹配表明:随机堆叠的多层石墨烯在太赫兹波段可以看作没有电子耦合的多个单层石墨烯,其太赫兹电导具有更宽的调谐范围,同时化学掺杂可以进一步提高材料的载流子浓度,从而获得更高的太赫兹电导。     

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.     

基于环形电磁矩超材料的可调谐太赫兹吸收器

本文提出一种反向开口双金属谐振环超材料集成微流通道的可调谐太赫兹波吸收器.数值分析了超材料环形电磁矩的高效激发,讨论了环形电磁矩的共振吸收谱对微流介质层的介电参数与磁参数调控的响应.采用可电控液晶材料注入微流通道的方案,通过太赫兹透明电极施加外部电场控制液晶折射率变化,实现太赫兹超材料吸收器工作频率的大范围动态调谐.频率移动量超过100%的共振带宽,相对调谐量(Δf/f)可高达15%,频率调谐呈现良好的线性操作特征和近100%吸收率的完美吸收性能.所提出的可调谐太赫兹吸收器在太赫兹探测和微流生化传感领域具有广阔的应用前景.     

基于双U形结构的零折射率超材料

在介质基板刻蚀的金属线和金属化过孔组成双U形结构模型,仿真计算及电磁参数反演结果表明,当电磁波垂直入射时,该结构在频率f=7.63 GHz附近等效介电常数和等效磁导率实部同时接近零,从而得到了折射率为零的超材料,实验测试与仿真结果基本一致.同时,为了实现对零折射率响应频点的调节,分析了单元结构的金属过孔间距及U形结构脚长的变化对零折射率特性的影响,发现改变单元结构参数可改变零折射率响应频点.这种可调双U形零折射率超材料单元结构简单,可应用于微波器件等领域.     

基于超材料的太赫兹角度滤波器研究

提出了一种基于超材料的太赫兹低通角度滤波器,该角度滤波器是一种仅允许法向入射太赫兹波透过而将其他方向传播太赫兹波滤除的器件,其结构为螺旋的左右对称开口的金属双环.仿真结果表明,在0.94 THz频率处,该器件的透射效果随着入射角的增大明显降低,且对法向入射的透射率达到94.4％,3 dB角域带宽达到25.0°.所提出的太赫兹角度滤波器在角度波谱分析、雷达数据处理、隐私保护、高信噪比检测器等领域具有重要的应用前景.     

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.     

基于极化不敏感超材料的类电磁诱导透明特性研究

设计了一种由4条金属直线和1个圆环构成的类电磁诱导透明超材料，当电磁波垂直入射到该超材料表面时，其具有水平极化和垂直极化不敏感特性。仿真了超材料的传输曲线特性，以及其表面电流分布特点，计算了相位传输曲线和群折射率，并对其介电常数传感特性进行了分析。计算所得群折射率最大值可达380，说明该超材料可用于制作慢光器件。用于制作传感器时，其D_FOM值约为20.13，与前人所设计的传感器相比，具有较高的灵敏特性。研究结果表明，该超材料在制作慢光器件和传感器件方面具有一定的应用价值。