可切换频段的太赫兹编码超表面

依据Pancharatnam-Berry(PB)相位原理提出了一种可切换频段的太赫兹编码超表面,其顶层是金属-二氧化钒（VO2）复合结构层,中间是聚酰亚胺介质层,底部为纯金属反射层。编码超表面单元按不同的编码序列排列构成的编码超表面,可以产生多种太赫兹波束形式,并且随着VO2的相变,可以在不改变原波束形式的情况下实现从单频段到双频段的切换功能。通过设计不同的编码序列,令编码超表面分别产生了涡旋波和散射波,对于垂直入射的右旋圆极化波（左旋圆极化波类似）：当VO2处于绝缘态时,在频段1.17～1.37 THz处可以产生与编码序列所对应的波束形式;当VO2相变为金属态时,在0.87～0.92 THz和1.4～1.6 THz两个不同频段处分别获得与VO2处于绝缘态时相同的波束形式,进一步拓宽波束产生的频段。所提出的编码超表面利用了VO2的相变特性增加了太赫兹工作的频段,为实现频段可切换的太赫兹编码超表面提供了思路,在太赫兹波束调控中的调频方面有一定参考意义。     

一种光激发可切换的双频太赫兹超材料吸收器

提出了一种基于方环-金属线结构的光激发动态可切换双频太赫兹超材料吸收器。通过调节嵌入在结构间隙中的光敏硅和锗的绝缘/导通状态,该吸收器可在不改变结构的前提下在三个双频完美吸收态之间自由切换。结果表明:当没有光泵浦时,该吸收器工作在0.987 THz和1.767 THz双频吸收态;当采用800 nm激光泵浦时,该吸收器可切换为0.717 THz和1.444 THz处的双频吸收;当采用1550 nm激光泵浦时,该吸收器的吸收状态可切换为0.716 THz和1.767 THz处的双频吸收。本文从等效电路、匹配阻抗和电流分布三方面解释了三种可切换的双频吸收机制,并讨论了极化不敏感的吸收特性。     

基于二氧化钒的吸收带宽可调谐超材料吸收器

提出了一种由二氧化钒(VO2)和金属Au构成的吸收带宽可调谐的超材料完美吸收器(MPA).模拟发现,该MPA的吸收波长覆盖了可见光和近红外光.改变VO2温度,MPA的吸收带宽可实现0.378 μm的调谐.分析MPA在吸收波长处的磁场分布发现MPA激发了表面等离子激元共振,实现在可见光和近红外光完美吸收.本文提出的MPA...     

多频与宽频超材料吸收器

提出了多频与宽频超材料吸收器结构模型, 该吸收器是由刻蚀在介质基板两面的金属图案组成, 其正面是由不同大小的金属铜圆片和金属铜圆环结构组合而成, 反面完全覆盖金属铜. 由于不同几何大小的圆片或圆环结构的谐振频率不同, 且是相互独立的. 因此通过将两种不同几何大小的圆片与圆环结构组合, 使其在不同频率谐振, 便可得到双频吸收器; 而将三种不同几何大小的圆片和圆环结构组合便可得到三频吸收器; 同理可得到四频吸收器. 同时, 通过研究吸收器的电场分布, 验证了不同几何大小的圆片或圆环结构在不同频率谐振. 若通过优化组合圆片和圆环结构, 使其谐振频率紧密相连则可得到宽频吸收器. 关键词： 吸收器 超材料 多频 宽频     

基于石墨烯和二氧化钒的太赫兹宽带可调谐超材料吸收器

太赫兹超材料吸收器作为一种重要的太赫兹功能器件,被广泛应用于生物医学传感、电磁隐身、军用雷达等多个领域.但这种传统的超材料吸收器结构具有可调谐性差、功能单一、性能指标不足等缺点,已经无法满足复杂多变的电磁环境的要求,因此可调谐超材料吸收器逐渐成为了太赫兹功能器件领域的研究热点.为实现超材料吸收器吸收特性的调谐,通常从调...     

W/VO2周期性纳米盘阵列可调中红外宽频吸收器

为了实现对3～5μm中红外光的完美吸收,仿真设计了一种基于W/VO2周期性纳米盘阵列的可调中红外宽频吸收器,利用时域有限差分法模拟计算了结构参数对吸收器性能的影响.在最佳结构参数条件下,吸收器表现出偏振无关和广角吸收的特性,在3.1～3.6μm范围内吸收率达99%以上,峰值吸收率为99.99%.低温时入射光的磁场被束缚在各单元VO2介质层的中心并得到完美吸收;高温时VO2发生相变表现为金属相,抑制吸收,高低温的吸收率差值可达78.8%.该吸收器有效弥补了传统吸收器吸收频带窄、吸收率不可调的缺陷,对中红外光电器件的应用有参考价值.     

基于VO2的太赫兹各向异性编码超表面

设计了一种3层结构的太赫兹编码超表面,其顶部是嵌入VO₂的金属十字架结构,中间是聚酰亚胺,底部为纯金属.利用该编码超表面的各向异性特点,可以实现对正交极化波(x极化波和y极化波)的独立调控;通过在编码超表面中引入VO₂材料,改变其相变状态,可进一步增加调控的灵活性.对设计的超表面进行建模仿真和分析,结果表明:对于垂直入射的1 THz正交极化波, VO₂处于绝缘态时,设计的超表面可视为2 bit的各向异性编码超表面,产生模式为1和2的涡旋波; VO₂处于金属态时,设计的超表面可视为1 bit的各向异性编码超表面,产生对称的2束反射波和4束反射波.所提出的各向异性和相变材料结合的方法,实现了同一超表面上产生多种不同形式太赫兹波束的功能,一定程度上解决了超表面调控太赫兹波形式单一的问题,为实现能够灵活应用于多种场景的多功能编码超表面提供了参考.     

缺陷组合嵌入VO2薄膜结构的可调太赫兹吸收器

提出一种多缺陷组合嵌入VO2薄膜结构的可调太赫兹吸收器,它由上表面金属图案层、基体和底层金属板三层结构组成,在上表面和基体之间嵌入二氧化钒介质.计算结果表明在f=4.08 THz和f=4.33 THz两频点吸收率分别为99.8%和99.9%.通过改变外界环境温度可控制二氧化钒相变,从而使两个频点吸收率从99.8%变化到1.0%.改变入射角和偏振态,计算结果表明在入射角0°-40°,吸收器在TE和TM两种极化波下吸收率都能在98%以上.该太赫兹波吸收器具有高吸收、动态调谐、极化不敏感等特性,本文所设计的可调太赫兹吸收器在太赫兹波相关领域,例如探测器、开关、动态调制器、隐身技术等方面具有很好的应用前景.     

基于固态等离子体的可重构双功能超材料极化转换器

基于施加偏置电压后固态等离子体（SSP）可以在金属态或介质态之间进行切换的特性，设计了一种基于SSP材料的可重构双功能超材料极化转换器。研究结果表明，当SSP为金属态时，所设计的超材料极化转换器可以在较宽的频率范围内实现反射式线–线极化转换，转换效率超过98%。当SSP为介质态时，所设计的超材料极化转换器工作在透射模式下，此时可以实现透射式线–圆极化转换。通过表面电流分布解释了极化转换的物理机理；通过改变结构参数，研究了SSP处于金属态和介质态时的极化转换性能，证明了所设计的基于SSP的超材料极化转换器不仅具有可重构的极化转换特性，而且对结构参数的轻微变化能够保持良好的鲁棒性，有利于实际制作和实验验证。此外，入射角度的轻微变化，对两种状态下的极化转换特性不会产生大的影响，也满足实际需求。所设计的超材料极化转换器不仅可以满足不同工作模式、不同转换性能的应用需求，而且在通信、传感和成像方面具有潜在应用前景。     

基于同一平面Au-VO2谐振器的可切换双功能超表面

本文基于二氧化钒(VO₂)温控相变特性，提出了一种可实现宽带极化转换和宽带吸收的可切换双功能超薄超表面。该超表面由位于同一平面的顶层Au-VO₂谐振器，中间硅(Si)介质层和底层连续金薄膜组成。室温时VO₂处于绝缘态，该超表面可作为宽带极化转换器，在1.76～12.50 THz范围内，极化转换率(PCR)达到90%以上，相对带宽为34.7%，且具有广角度入射的极化转换性能；当温度升高到68^?C时，VO₂处于金属态，超表面可作为宽带吸收器，在1.61～2.65 THz频段吸收率超过90%，相对带宽为48.8%，具有极化不敏感和广角入射的吸收特性。另外，通过本征模分解、电流电场分布以及阻抗匹配理论详细阐释了该超表面的工作机制。本文所提出的超表面仅采用VO₂一种相变材料，极化转换和吸收谐振器位于同一平面，其厚度仅为最小和最大工作波长的1/11和1/16，且具有灵活的可调控特性，可应用于开关、吸收器、极化转换器和隔离器等设备。     

Switchable terahertz polarization converter based on VO2 metamaterial

A switchable terahertz (THz) polarization converter based on vanadium dioxide (VO₂) metamaterial is proposed. It is a 5-layer structure which containing metal split-ring-resonator (SRR), the first polyimide (PI) spacer, VO₂ film, the second PI spacer, and metal grating. It is an array structure and the period in x and y directions is 100 μm. The performance is simulated by using finite integration technology. The simulation results show that, when the VO₂ is in insulating state, the device is a transmission polarization converter. The cross-linear polarization conversion can be realized in a broadband of 0.70 THz, and the polarization conversion rate (PCR) is higher than 99%. Under thermal stimulus, the VO₂ changes from insulating state to metallic state, and the device is a reflective polarization converter. The linear-to-circular polarization conversion can be successfully realized in a broadband of 0.50 THz, and the PCR is higher than 88%.     

Dual-function terahertz metasurface based on vanadium dioxide and graphene

A dual-function terahertz metasurface based on VO₂ and graphene is proposed in this paper. It consists of a gold layer embedded with VO₂ patches, a SiO₂ spacer layer, a VO₂ layer, graphene and a SiO₂ spacer substrate. When the bottom VO₂ layer is in the metallic state, the designed metasurface can achieve absorption. When the top VO₂ patches are in the metallic state, the proposed metasurface can be used as a single-band absorber with terahertz absorptance of 99.7% at 0.736 THz. When the top VO₂ patches are in the insulating state, the designed structure behaves as a dual-band absorber with an absorptance of 98.9% at 0.894 THz and 99.9% at 1.408 THz. In addition, the absorber is polarization insensitive and keeps good performance at large angles of incidence. When the bottom VO₂ is in an insulating state, the metasurface shows electromagnetically induced transparency. The transparent window can be dynamically regulated by controlling the chemical potential of graphene. The proposed metasurface exhibits the advantages of terahertz absorption, electromagnetically induced transparency and dynamic control, which provides more options for the design of terahertz devices in the future.     

Broadband visible metamaterial absorber based on a three-dimensional structure

In this paper, a broadband metamaterial absorber is successfully designed by a three-dimensional structure. And the three-dimensional absorber is just obtained by a two-dimensional structure which rotates 90°along x-axis. The simulated results show that the absorption of the three-dimensional metamaterial absorber is much better than the two-dimensional absorber. Moreover, the absorber is polarization-sensitive for the incident electromagnetic waves due to the asymmetry of the structure. Compared with the Y-polarization wave, the proposed absorber can realize broadband absorption with greater than 90% from 355.6 to 737.7 THz for X-polarized wave. Finally, based on the analysis of the electric field and surface current distributions, it can demonstrate that the localized surface plasmons and dipoles resonances will play an important role in the broadband absorption. And we believe that the metamaterial absorber will have many potential applications in emitter and energy harvesting.     

Actively tunable dual-broadband graphene-based terahertz metamaterial absorber

A tunable metamaterial absorber (MA) with dual-broadband and high absorption properties at terahertz (THz) frequencies is designed in this work. The MA consists of a periodic array of flower-like monolayer graphene patterns at top, a SiO₂ dielectric spacer in middle, and a gold ground plane at the bottom. The simulation results demonstrate that the designed MA has two wide absorption bands with an absorption of over 90% in frequency ranges of 0.68 THz-1.63 THz and 3.34 THz-4.08 THz, and the corresponding relative bandwidths reach 82.3% and 20%, respectively. The peak absorptivity of the absorber can be dynamically controlled from less than 10% to nearly 100% by adjusting the graphene chemical potential from 0 eV to 0.9 eV. Furthermore, the designed absorber is polarization-insensitive and has good robustness to incident angles. Such a high-performance MA has broad application prospects in THz imaging, modulating, filtering, etc.     

基于圆台结构的超宽带极化不敏感太赫兹吸收器

本文提出一种基于圆台形吸收单元的超宽带、极化不敏感的超材料太赫兹吸收器. 该超材料吸收器采用金属薄膜金和介质层二氧化硅交替叠加的多层结构. 采用商业软件CST Studio Suite 2009时域求解器计算了其在0–10 THz波段内的吸收率A（ω）,在2–10 THz之间实现了对入射太赫兹波的超宽频带强吸收. 仿真结果表明,由于其圆台形单元结构,在器件垂直方向上形成一系列不同尺寸的微型吸收器,产生了吸收频点相连的多频吸收峰. 利用不同吸收峰的耦合叠加效应,获得超过8 THz的超宽带太赫兹波吸收,吸收强度达到92.3%以上. 这一结构具有超宽带强吸收,360°极化不敏感以及易于加工等优越特性,因而在太赫兹波探测器、光谱成像以及隐身技术方面具有潜在的应用. 关键词： 太赫兹波 超材料吸收器 圆台结构 超宽带     

基于宽边耦合螺旋结构的低频小型化极化不敏感超材料吸波体

设计、仿真并实验验证了基于宽边耦合螺旋结构的低频小型化超材料吸波体. 实验测试结果表明, 该超材料吸波体在1.39 GHz吸收率达到最大为98%, 其单元尺寸和总厚度均为6.8 mm, 约为1/32工作波长, 实现小型化窄带吸波. 由于吸波体中螺旋结构是旋转对称排列的, 因而其对垂直入射电磁波的极化方向是不敏感的. 此外, 该超材料吸波体对斜入射横电和横磁极化电磁波在60°时, 仍具有强吸收. 关键词： 超材料 吸波体 小型化     

基于电阻膜的宽频带超材料吸波体的设计

基于电阻膜设计了一种宽频带、极化不敏感和宽入射角的超材料吸波体.该吸波体的结构单元由六边形环状电阻膜结构、介质基板和金属背板组成.仿真得到的反射率和吸收率表明,该吸波体在7.0-27.5 GHz之间对入射电磁波具有宽频带的强吸收,证实了电路谐振相对于电磁谐振易于实现宽带吸波.仿真得到的不同极化角和不同入射角下超材料吸波体的吸收率表明,该吸波体具有极化不敏感和宽入射角特性.仿真得到的基板和电阻膜对超材料吸波体吸收率的影响表明,电阻膜结构和金属背板之间形成的电容以及电阻膜结构的电阻都存在一个最佳值,此时电路谐 关键词： 电阻膜 电路谐振 宽频带 超材料吸波体     

基于超材料的偏振不敏感太赫兹宽带吸波体设计

本文设计了一种基于超材料的偏振不敏感太赫兹宽带吸波体.吸波体包含两层金属和一层中间介质,表面金属层每一个周期单元由五种尺寸接近的金属块按照相邻不同的规律排列成5×5的方形阵列.各种尺寸金属块分别产生单峰谐振吸收,五个谐振吸收峰相互靠近从而产生宽带吸收.通过研究吸波体表面电流和电场z分量分布情况可知,入射太赫兹能量的吸收主要是由y方向上电场引起的电偶极子振荡和z方向上磁场引起的磁极化产生,而且金属层的欧姆损耗起主要作用.仿真结果表明,吸波体吸收率在80%以上的带宽约为1.2 THz,最高吸收率可达98.7%,半峰全宽(FWHM)为1.6 THz,该宽带吸波体的厚度约为中心波长的二十分之一,对偏振方向不敏感,且能实现大角度吸收,在太赫兹频段的电磁隐身、测辐射热探测器以及宽带通信等领域有潜在的应用价值.