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.     

太赫兹物理与应用专题·编者按

正太赫兹(Terahertz, THz)波通常是指频率在100 GHz–10 THz,相应波长在3 mm–30μm范围内,介于毫米波与红外光之间的电磁波. THz技术在物理学、材料科学、生命科学、天文学、信息科学以及国防安全等方面具有广泛的应用前景,被誉为改变未来世界的十大技术之一.《中国科学:物理学力学天文学》特别组织"太赫兹物理与应用专题",邀请了国内外活跃在THz物理和应用研究领域的科研工作者撰写了10篇相关论文,其中3篇为综述类论文,反映了国内外关于THz相关研究的现状以及最新研究进展;其他7篇为研究论文,涵盖了THz物理、材料、辐射源、探测以及成像等研究领域.     

微加工中几何尺度对太赫兹光子晶体传输性质的影响

太赫兹(THz)光子晶体的研究在近些年得到快速发展,对其传输性质和相关功能器件的研究都有广泛报道,但现有研究很少从器件微加工和实验要求出发讨论器件的结构设计问题.通过数值模拟,明确了THz波段光子晶体基本几何参数的尺寸范围,重点分析了器件高度和传播方向上周期性单元个数对THz波传输性能的影响.研究结果表明,光子晶体的通带透过率随着光子晶体柱或孔高度增加而显著增加,保证柱或孔高度大于入射光波长是THz光子晶体加工中的一个重要要求;光子晶体沿传播方向行数越多,光子禁带内的透过率就越低,消光比越高,通带边沿就越陡峭,但通带的透过率会随着器件长度增加而下降,设计器件时需要折中考虑这两个因素的相互制约关系,确定最佳器件尺寸.研究结果为THz光子晶体的器件结构设计和微加工工艺设计提供理论指导.     

全固态皮秒THz波参量振荡器的优化设计

针对全固态皮秒THz波参量振荡器,设计了一种蝴蝶型腔结构.并采取优化设计MgO:LiNbO3(MgO:LN)晶体掺杂浓度、耦合输出方式和最佳晶体长度及提高THz波的转化效率等措施,实现全固态皮秒THz波参量振荡器的高性能运转.计算结果为全固态皮秒THz波参量振荡器基于MgO:LN晶体差频产生可调谐THz波辐射的实验研究提供进一步深入的理论基础.     

太赫兹技术的研究和展望

太赫兹(THz)波是指频率在0.1—10THz(波长为3 000—30μm)范围内的电磁波,它在电磁波谱中占有很特殊的位置,处于电子学向光子学的过渡区域.THz辐射具有很多优越的特性,具有重要的学术价值和应用价值.本文介绍了太赫兹探测技术的研究与发展概况,简要阐述了太赫兹波的探测方法、主要特点、重要的学术应用价值和主要产品,并综述了国内外在太赫兹波领域的研究进展,对未来的发展与应用进行了乐观的展望.     

基于Dirac半金属和水的宽带太赫兹吸波体

本文提出了一种基于体Dirac半金属(BDS)和水的太赫兹(THz)双可调谐宽带超材料吸波体.与传统的单控吸振器不同,此吸波体可以通过温度和费米能级进行调节.模拟结果表明,当水和BDS的温度和费米能级分别调整在15℃和30 meV时,吸波体在2.97～6.11 THz频率范围内吸收率均大于90%.与没有注入水或没有BDS组件的吸波体相比,吸收率在90%以上的带宽有了明显提高.此外,通过调节水的温度或BDS的费米能量,吸波体的吸收带宽和强度可以独立或联合控制,而无需重新设计器件.利用水的介电常数可通过温度来调节的特性,以及BDS可通过费米能量来控制的特点,我们解释了双控吸波体的作用机理.本文采用场分析的方法来研究和阐明宽带吸收的物理机理.基于此吸波体优异的性能,本文的研究结果可能在热探测器和太赫兹成像领域有潜在的应用价值.     

太赫兹科学技术的研究和应用新进展

太赫兹波技术在物理、化学、生命科学等基础研究学科,以及医学成像、安全检查、产品检测、空间通信、武器制导等应用学科都具有重要的研究价值和应用前景。从THz辐射源、THz波的检测及标定、THz波与物质相互作用和THz波的应用4个方面概述了太赫兹科学技术的研究和应用新进展。     

太赫兹技术在纺织检测中的应用

太赫兹波(THz)是一个位于微波与红外辐射间特定波段的电磁辐射的统称。近年来,随着固态震荡器与超快激光等技术的发展,提供了稳定可靠的太赫兹发射源,使得太赫兹技术有了飞速发展,在国民经济各领域有了广泛应用。本文简要介绍THz波的主要性质和产生原理,并从纺织材料检测及鉴别等方面介绍了THz波在纺织检测的应用前景。     

等离子体随机分布对THz波传输特性的影响

高超声速飞行器再入过程中在其周围会产生非均匀的等离子体鞘套流场,同时在飞行器飞行姿态调整,流场分界层湍流、层流相互转换以及再入过程中由于强烈摩擦产生的高温等因素的影响下,使得产生的鞘套具备了一定的随机特性.文中通过改变磁化角度和外加磁场强度、等离子体电子密度、电子密度相对变化幅度以及碰撞频率等参数,提出了基于等离子体随机分布的散射矩阵法来研究THz波传播的相关特性的方法.结果表明,THz波的极化方向不同,其透射率的变化趋势也不同;左极化波在随机分布等离子体中的透射率要优于右极化波;通过调控合适的物理量,可改变THz波在具有随机特性等离子体中的透射特性.该研究结果对于缓解高超声速飞行器与地面之间的通信“黑障”问题具有一定的参考价值.     

快速响应液晶波前校正器的研究进展

液晶波前校正器是一种对光波前进行调制的光学元件,具有像素密度高、可靠性好、高精度等技术优点,可用于光束波前整形、光信息处理、光束变换等,具有非常大的应用潜力和广阔的应用前景.当液晶波前校正器应用于光学系统时,大多数情况下均要求它具有快速响应性能,甚至要到1 ms量级;此外,要求校正器必须具有特定的调制量.例如,当在1λ调制量内实施响应时,现有的在售液晶波前校正器的响应速度较慢,通常大于10 ms,阻碍了校正器的进一步应用.对于液晶波前校正器,其响应速度的影响因素主要有两个:液晶材料参数和器件制备参数.针对以上问题,首先概述了本研究组在高双折射率(Δn)、低黏度快速响应液晶材料领域的研究进展;其次介绍了我们在器件参数优化及驱动方式研究中提高其响应速度的研究进展.基于上述研究工作,目前液晶波前校正器的响应速度达亚毫秒量级,这将大幅度提升它在应用光学领域的实用化水平,并将拓展其应用范围.     

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.     

太赫兹技术及其应用

太赫兹(Terahertz,THz)通常是指频率在0.1～10THz(波长为0.03～3mm)的电磁波。太赫兹技术被认为是国际电子和信息领域的重大科学问题,是连接宏观电子学和微观波长学的桥梁,在电子、信息、生命、国防、航天等方面蕴藏着巨大的应用前景,目前已经在全世界范围内形成了一个THz技术研究高潮。介绍了太赫兹波的主要特征、主要研究内容及其应用前景。     

加载二氧化钒的太赫兹宽带可调超材料吸波体设计

为了实现太赫兹波调制器件对太赫兹波的快速响应,设计一种基于二氧化钒(VO_2)电阻膜的太赫兹波段宽带可调谐超材料吸波体,研究不同温度时吸波体的吸收率,并通过监控表面电流分布,分析吸波体宽带吸收以及可调吸收的机理。结果表明:吸波体在温度为35℃时表现出宽带吸收特性,吸收率大于90%的频段频率为6.508～9.685 THz,带宽为3.177 THz,通过改变温度可以实现吸波体吸收率的调控;该吸波体对电磁波的吸收具有极化不敏感和宽角度吸收的特点。     

基于分层微结构纤芯的太赫兹高双折射光子晶体光纤（英文）

基于"功能基元"+"序构"的设计思想,提出了一种在纤芯引入等差分层微结构的太赫兹超高双折射光子晶体光纤.光纤包层由三角晶格排列的圆形空气孔组成;纤芯由三角晶格排列,尺寸满足等差分层条件的椭圆空气孔组成.数值模拟结果显示,当入射光频率为0.5-1.5 THz时,光纤能够实现超高模式双折射;在0.9 THz,模式双折射达到最大值4.07×10^-2,此时基模x,y偏振模式的有效材料损耗(EML)分别为0.075 cm^-1和0.062cm^-1.与6种不同尺寸的均匀微结构纤芯光子晶体光纤的模式双折射特性进行对比研究.结果显示,提出的分层微结构纤芯光子晶体光纤,能够在很宽的工作频段,实现更稳定的超高模式双折射,且具有较低的材料吸收损耗.对于通信、传感、测量等领域的有限长度光纤器件应用,能够起到优化设计,显著提高器件性能的作用.     

Terahertz磁波参量振荡器辐射THz波受温度的影响

从THz波增益、吸收系数、折射率几方面,讨论了THz电磁波参量振荡器辐射THz波受温度的影响,从而得到THz波增益随温度的升高而降低主要原因,是由于LiNbO3晶体中A1对称光学软模的拉曼活性降低所导致,这为今后太赫兹(THz)波参量振荡器的优化设计提供了参考价值.     

氨基酸分子水溶液的太赫兹无损检测

大多数生物分子在液体环境中才能维持其生物活性,实现液态生物分子的太赫兹(THz)光谱检测对活性生物分子的功能与结构.无创性生物医学检测的研究具有重要的应用价值.本文利用铌酸锂(LiNbO3)光整流产生的THz辐射,结合喇叭形渐变平行平板波导的局域电场增强效应,构建了可以检测微量活细胞和含水生物分子的THz时域光谱测量系统,实现了对4-氨基苯甲酸(4-Aminobenzoic Acid)及谷氨酸(Glutamic Acid)溶液的THz光谱检测.结果表明,去除水对THz波吸收的影响, 4-氨基苯甲酸以及谷氨酸水溶液在0.1–2.0 THz频段有明显且独特的特征吸收峰. THz频段内的氨基酸水溶液特征吸收谱的获取为活性生物大分子或组织的检测奠定了基础.     

基于超导检测器的太赫兹小型频谱检测仪

太赫兹(THz)波是有待进行全面研究开发的波段,在高灵敏的THz探测技术中,不仅要知道THz信号的功率,还要了解THz信号的频率和频谱,研制一种小型的THz频谱分析仪是开发太赫兹科学技术中不可或缺的.本文对高温超导双晶结中晶界对磁通流运动的诱导作用,超导检测器与THz波的相互作用进行了研究,利用超导约瑟夫森结对太赫兹波高灵敏的响应,通过Hilbert变换,研制出了超导小型THz频谱检测仪,并对多种太赫兹信号源进行了频谱测量.     

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.     

太赫兹应用技术

太赫兹频段是光子技术与电子技术、宏观状态与微观状态之间的过渡区域,表现出一系列不同于其他电磁辐射的特殊性能.THz波频率很高,因而其空间分辨率很高;THz脉冲很短,因而THz辐射又具有很高的时间分辨率.THz时域光谱技术和THz成像技术就构成了THz应用的两个主要关键技术.