椭圆金环结构的太赫兹透射增强

利用太赫兹时域光谱系统,测量了3种在硅衬底上淀积厚度为100nm金膜的椭圆环阵列结构后,并且分析了各样品在太赫兹波段的透射增强现象及产生机理.结果表明:在整个太赫兹波段,此组结构样品的透射系数均在0.68以上,产生明显的透射增强;当太赫兹波的偏振方向与椭圆环长轴之间的夹角为90°时,3个样品在1.67THz处的共振峰是由于短轴方向的电子形成偶极子振荡与入射太赫兹波进行耦合产生的;夹角为0°时,周期阵列样品无明显共振峰,而分形阵列样品的共振峰则不如斑图阵列样品的明显;样品结构的对称性越差,透射谱的信息越丰富.此外,分析相位差谱也验证了共振增强透射的存在.     

太赫兹波段下金属狭缝的透射增强特性研究

用太赫兹时域光谱技术研究了具有不同宽度的金属狭缝透射光谱特征. 实验结果显示在实验测量有效光谱范围(02 THz—26 THz)内,当狭缝宽度小到一定程度,在频谱中出现了共振增强,具有明显的带通带阻现象,并在理论上分析了这种共振透射现象的原因. 关键词： 表面等离子体 太赫兹脉冲 时域光谱技术 金属狭缝     

爆炸性物质太赫兹时间分辨光谱测量

利用自由空间电光取样方法,研究了四种炸药在太赫兹(THz)频段的光学特性。通过太赫兹时间分辨光谱测量,作者得到了四种炸药DNT(2,4-二硝基甲苯)、钝化的RDX(黑索今)、HMX(奥克托金)和TNT(2,4,6-三硝基甲苯)的透射光谱,进而计算得出它们在0.2～2.5 THz频段的吸收系数和折射率。作者发现,2,4-DNT在1.08 THz,HMX在1.82 THz存在显著的吸收尖峰,RDX在此频段存在多个吸收峰,TNT的吸收谱线相对其他三种样品比较平缓,这种共振吸收一般认为是由分子间相互作用或声子共振模式引起的。四种炸药对太赫兹波独特的吸收性质说明,太赫兹时间分辨光谱测量技术在炸药特征识别及安全检测领域具有潜在应用价值。作者对致癌物质偶氮苯进行了太赫兹光谱研究,发现了国产偶氮苯和进口偶氮苯在太赫兹波段均存在特征吸收峰,可用于物质鉴别。     

太赫兹量子级联激光器材料生长及表征

采用气态源分子束外延方法生长了束缚态到连续态跃迁太赫兹量子级联激光器（terahertz quantum-cascade laser,简称THz QCL）有源区结构,并且采用电化学CV仪、霍尔测试仪以及高分辨X射线衍射对材料的质量进行表征,得出THz QCL有源区具有很高的晶体质量.另外,采用蒙特卡罗方法模拟了共振声子THz QCL器件的I-V曲线,分析了在不同偏压下子能级的对齐状况和电子的输运特征. 关键词： 太赫兹 量子级联激光器 分子束外延 X射线衍射     

亚波长金属块阵列中太赫兹波的传输特性研究

利用太赫兹时域光谱技术,研究了亚波长金属块阵列的太赫兹透射光谱特性及金属阵列结构的周期、金属块尺寸等因素对太赫兹透射特性的影响.结合时域有限差分方法,对实验结果进行了数值模拟,并分析了影响太赫兹透射的因素.结果表明:亚波长金属块阵列结构中,THz波的透射极小的位置由金属块的尺寸和周期决定,其透射谷的半高宽随其周期的增大而减小;透射峰值的位置由阵列的周期结构决定,其频率随周期的增加而减小;亚波长金属块结构的透射极小来源于金属块表面局域化电场等离子体的本征频率反射,该局域化电场与金属块结构密切相关,通过改变金属块结构,可以改变其表面电场分布与局域化.研究结果为研制太赫兹波段带阻滤波器提供了有益的参考.     

亚波长金属块阵列中太赫兹波的传输特性研究

利用太赫兹时域光谱技术,研究了亚波长金属块阵列的太赫兹透射光谱特性及金属阵列结构的周期、金属块尺寸等因素对太赫兹透射特性的影响.结合时域有限差分方法,对实验结果进行了数值模拟,并分析了影响太赫兹透射的因素.结果表明:亚波长金属块阵列结构中,THz波的透射极小的位置由金属块的尺寸和周期决定,其透射谷的半高宽随其周期的增大而减小;透射峰值的位置由阵列的周期结构决定,其频率随周期的增加而减小;亚波长金属块结构的透射极小来源于金属块表面局域化电场等离子体的本征频率反射,该局域化电场与金属块结构密切相关,通过改变金属块结构,可以改变其表面电场分布与局域化.研究结果为研制太赫兹波段带阻滤波器提供了有益的参考.     

不同周期数牛眼结构对基于伪表面等离子激发的太赫兹透射的影响

为研究不同周期数的牛眼结构对太赫兹透射的影响,本文利用微机械加工方法,在铝板上分别制作5个圆环凹槽和15个圆环凹槽两种牛眼结构,并利用时域太赫兹波谱系统,对比了这两种不同周期数的牛眼结构的太赫兹时域信号和频域信号.实验结果显示,0.1～2.7THz宽频太赫兹参考信号可以被两种不同周期数的牛眼结构滤成窄带信号,中心峰值均在约0.53THz处,在该值处,5个圆环凹槽的透射率约为55.7%,15个圆环凹槽的透射率约为68.3%,1THz以上高频信号都被基本滤除,小周期数样品与大周期数样品太赫兹透射谱信号带宽与幅值的差别主要是由于周期性展开不足及边缘泄漏所引起.本文利用伪表面等离子理论解释了滤波效果,并通过有限元方法模拟仿真了宽频太赫兹信号通过不同周期数的牛眼结构后的样品信号,模拟结果与实验结果符合得较好,证实了不同周期数的牛眼结构对太赫兹电磁波的增透效应是不同的.     

不同周期数牛眼结构对基于伪表面等离子激发的太赫兹透射的影响

为研究不同周期数的牛眼结构对太赫兹透射的影响,本文利用微机械加工方法,在铝板上分别制作5个圆环凹槽和15个圆环凹槽两种牛眼结构,并利用时域太赫兹波谱系统,对比了这两种不同周期数的牛眼结构的太赫兹时域信号和频域信号.实验结果显示,0.1~2.7THz宽频太赫兹参考信号可以被两种不同周期数的牛眼结构滤成窄带信号,中心峰值均在约0.53THz处,在该值处,5个圆环凹槽的透射率约为55.7%,15个圆环凹槽的透射率约为68.3%,1THz以上高频信号都被基本滤除,小周期数样品与大周期数样品太赫兹透射谱信号带宽与幅值的差别主要是由于周期性展开不足及边缘泄漏所引起.本文利用伪表面等离子理论解释了滤波效果,并通过有限元方法模拟仿真了宽频太赫兹信号通过不同周期数的牛眼结构后的样品信号,模拟结果与实验结果符合得较好,证实了不同周期数的牛眼结构对太赫兹电磁波的增透效应是不同的.     

臂型网格结构增强石墨烯电调制太赫兹透射

为提高单层石墨烯薄膜电控太赫兹调制器的调制深度,提出一种臂型金属网格微结构与石墨烯结合的太赫兹波透射调制器件.通过臂型金属网格结构激发的共振耦合场增强石墨烯与太赫兹波的相互作用,使石墨烯在外加电压调制下对太赫兹波透射幅度的调制深度获得大幅提升.通过有限元仿真分析了金属结构参数对石墨烯与太赫兹波相互作用增强规律的影响,理论结果表明,臂型网格结构使石墨烯对太赫兹波透射幅度调制深度从7.7%提升到了28.2%.在理论结果的基础上,基于光刻工艺完成了器件的结构制作,实验测试中获得了24%的太赫兹幅度调制深度,且调制深度曲线与理论仿真规律基本一致.     

亚波长孔阵列的太赫兹波异常透射研究

利用太赫兹时域光谱（THz-TDS）系统,在5—300 K温区下测量了在厚度约200 nm的金属Nb薄膜刻蚀的亚波长圆孔阵列的异常THz波透射情况.实验结果表明,在03—2 THz波段,具有亚波长孔阵结构的金属Nb薄膜的异常透射现象波谱的峰位置与CST（computer simulation technology）软件仿真模拟的结果一致,峰值随温度降低有逐渐增强的趋势. 关键词： 亚波长孔阵列 THz时域光谱技术 异常透射     

基于科赫曲线分形结构太赫兹带通滤波器

太赫兹滤波器是太赫兹通信、太赫兹成像和太赫兹检测等太赫兹应用系统中不可或缺的功能器件。按照不同的分类方式,滤波器有不同的种类,常见的按照选频功能可分为高通滤波器、低通滤波器、带阻滤波器和带通滤波器。为了实现在太赫兹波段的滤波效果,世界各地的研究人员利用不同的结构、材料和控制方式实现了功能各异的太赫兹滤波器,但是考虑到设计的器件要应用到太赫兹系统中,成本低廉、结构简单、性能优越的太赫兹滤波器一直是研究人员的追求。分形概念自提出以来在很多研究领域都有了快速发展,但是在太赫兹波段的应用还不是很常见,特别是应用于太赫兹功能器件的设计。引入分形中科赫曲线的概念设计并制备了一种新型的太赫兹带通滤波器,该滤波器是在金属薄膜上刻蚀出科赫曲线分形结构,当太赫兹波垂直入射到该滤波器时候实现了在太赫兹波段的窄带滤波。在滤波器的设计过程中,追求理论与实验相结合,首先在电磁仿真软件中建立科赫曲线分形结构滤波器模型进行计算,探究分形结构应用于太赫兹波段进行滤波的可行性,在进行多次计算之后得到优化后的尺寸和结构,然后根据优化后的尺寸加工出科赫曲线分形结构太赫兹滤波器样品,并且将样品放在太赫兹时域光谱系统中进行实验测量,得到实验数据后与仿真结果进行比较。在仿真中利用了时域有限差分法模拟科赫曲线分形结构太赫兹带通滤波器的传输特性,优化后的仿真结果表明:滤波器的谐振频率为0.715 THz,透射系数能够达到0.92,-3 dB带宽为21.9 GHz,将仿真得到的散射参数进行S参数反演得到了太赫兹滤波器样品的电磁参数,这在理论上分析了太赫兹波在谐振点处产生透射增强的原因。利用飞秒激光微加工系统制备了尺寸优化后的科赫曲线分形结构太赫兹带通滤波器样品,然后使用太赫兹时域光谱系统对样品的传输特性进行测试,对实验得到的时域数据进行快速傅里叶变换之后得到频域数据,再把频域数据进行归一化处理后与之前的电磁仿真结果进行对比,发现实验测得的结果与电磁软件仿真得到的结果较为吻合。     

太赫兹量子级联激光器中有源区上激发态电子向高能级泄漏的研究

利用热力学统计理论和激光器输出特性理论,建立了太赫兹量子级联激光器(THz QCL)有源区中上激发态电子往更高能级电子态泄漏的计算模型,以输出功率度量电子泄漏程度研究分析了晶格温度和量子阱势垒高度对电子泄漏的影响.数值仿真结果表明,晶格温度上升会加剧电子泄漏,并且电子从上激发态泄漏到束缚态的数量大于泄漏到阱外连续态,同时温度的上升也会降低激光输出功率.增加量子阱势垒高度能抑制电子泄漏,并且有源区量子阱结构中存在一个最优量子阱势垒高度. THz QCL经过最优量子阱势垒高度优化后,工作温度得到提升,其输出功率相比于以往的结果也有所提高.研究结果对优化THz QCL有源区结构、抑制电子泄漏和改善激光器输出特性有指导作用.     

环状烯烃聚合物基底材料的太赫兹复介电常数和损耗特性研究

太赫兹时域光谱(THz-TDS)已被用于研究包括液体,半导体,爆炸物和气体等多种材料。然而自由空间太赫兹光谱系统存在着一些检测局限性,如微量物质难以被检测、系统尺寸难以实现微型化、空气中水的强烈吸收引起的信号衰减较大等问题。为了解决这些问题,研究人员设计了基于金属波导传输线结构的太赫兹芯片集成器件,通过飞秒红外激光激励传输线上的光电导材料实现太赫兹波的产生和检测。然而,在这些芯片上传输的太赫兹信号的频谱宽度很难达到自由空间太赫兹时域光谱系统的频带宽度,一个重要原因是由于传输信号受到随频率增加的传输线损耗所导致的衰减。通常这些损耗主要由三个部分组成：导体损耗,介电损耗和辐射损耗。研究表明：使用低介电常数材料作为共面传输线的衬底,将减少这种介电常数的失配,从而避免冲击波辐射损失;使用具有低损耗角正切的基底材料可以减少太赫兹传输线的损耗。环烯烃聚合物(COP)是一种具有环状烯烃结构的非晶性透明共聚物的材料,在太赫兹波段具有很高的透射率,为了探究这种材料是否能用于共面传输线的衬底,需要通过太赫兹时域光谱技术和介电函数理论分析它在太赫兹频段的光谱和介电特性,以及对这种材料作为基底时用在太赫兹传输线的传输特性进行仿真计算分析。使用透射式太赫兹时域光谱系统,对三种COP、熔融石英和PMMA进行了光谱测试,提取了它们的透射时域信号,采用Dorney和Duvillaret等提出的物理模型计算复介电函数。实验表明：与其他两种材料相比,COP材料在1 THz处的透过率更高,可以达到94.5%,同时介电损耗和介电常数更低,其中介电损耗在1 THz处达到4.31×10-4,因此将COP作为传输线基底材料时能有效减少基底的介电损耗。同时COP材料的介电常数在0.2～2.8 THz范围内维持在约2.3的水平,也有效减弱了辐射损耗。对实验材料基底组成的共面波导传输线进行了HFSS模拟,获得了它们的正向传输衰减系数(S₂₁ parameter),并对由基底引起的介电损耗和辐射损耗进行了计算分析。模拟和计算结果也表明在同一传输线结构下,与其他材料相比COP作为基底时的损耗更小。通过太赫兹时域光谱法与介电响应分析,表明了在太赫兹波段具有较低介电常数的COP材料更适合作为太赫兹传输线结构的基底材料,它可以有效的降低因基底引起的介电损耗和辐射损耗。这为太赫兹传输线的设计过程中衬底材料的选择与应用提供了实验和理论依据。     

Cherenkov terahertz radiation from Dirac semimetals surface plasmon polaritons excited by an electron beam

We demonstrate a physical mechanism for terahertz(THz) generation from surface plasmon polaritons(SPPs). In a structure with a bulk Dirac semimetals(BDSs) film deposited on a dielectric substrate, the energy of the asymmetric SPP mode can be significantly enhanced to cross the light line of the substrate due to the SPP-coupling between the interfaces of the film. Therefore, the SPPs can be immediately transformed into Cherenkov radiation without removing the wavevector mismatch. Additionally, the symmetric SPP mode can also be dramatically lifted to cross the substrate light line when a buffer layer with low permittivity relative to the substrate is introduced. In this case, dual-frequency THz radiation from the two SPP modes can be generated simultaneously. The radiation intensity is significantly enhanced by over two orders due to the field enhancement of the SPPs. The radiation frequency can be tuned in the THz frequency regime by adjusting the beam energy and the chemical potential of the BDSs. Our results could find potential applications in developing room temperature, tunable, coherent, and intense THz radiation sources to cover the entire THz band.     

光电导天线太赫兹辐射峰值调控研究

针对微结构光电导天线与飞秒激光之间相互作用效应以及辐射太赫兹波调控问题进行了研究。采用德鲁德-洛伦兹理论模型获得微结构光电导天线辐射光电流密度,通过时域有限差分把光电流密度迭代在激励网格上,结合麦克斯韦方程求解时变电磁场,并通过传输线格林函数获得多层介质近场到远场的辐射太赫兹波,建立了辐射光电流与辐射阻抗、电磁共振模式之间的关系模型,模拟仿真分析了微结构S型光电导天线太赫兹波辐射调控机理。研究结果表明:微结构改变了天线等效模型的辐射阻抗;同时得知耦合系数不为零时存在耦合作用,且随着耦合系数增大共振频率峰值发生辐射增强和位移;并通过设计S型光电导天线获得辐射峰值频率调整范围为0.50~0.80 THz之间,对比工形天线辐射峰值频率由原来的0.40 T移动到0.76 T,频率调整度75%,峰值辐射效率约提高70%。该研究工作为后续高功率光导天线太赫兹波辐射的共振中心频点以及结构设计奠定重要基础。     

Design of a new compact THz source based on Smith-Purcell radiation

In recent years, people are dedicated to the research work of finding compact THz sources with high emission power. Smith-Purcell radiation is qualified for the possibility of coherent enhancement due to the effect of FEL mechanism. The compact experiment device is expected to produce hundreds mW level THz ray. The electron beam with good quality is provided under the optimized design of the electron gun. Besides, the grating is designed as an oscillator without any external feedbacks. While the beam passes through the grating surface, the beam bunching will be strong and the second harmonics enhancement will be evident, as is seen from the simulation results.     

Photoinduced absorption of THz radiation in semi-insulating GaAs crystal

The influence of optical illumination on transmission of THz radiation through a bulk crystal of semi-insulating GaAs is experimentally studied. It is established that, without additional illumination, absorption of electromagnetic waves with a frequency of about 1 THz in the studied crystal is almost absent. Optical illumination in the spectral range of fundamental absorption of the crystal does not affect the transmission of THz waves. At the same time, if the illumination photon energy is a little below the edge of fundamental absorption, i.e., actually in the transparency region, the transmission of THz radiation drops sharply. At liquid helium temperature, the maximum effect is achieved for the energy of optical photons lower by approximately 30 meV than the crystal band gap. Further shift of the illumination toward lower photon energies is accompanied by almost complete recovery of the transmission. With increasing sample temperature, the spectral range of efficient action of the illumination shifts together with the edge of fundamental absorption toward lower photon energies.     

全介质光栅在太赫兹波段的光调控特性

采用激光直写技术在100 μm厚的Si衬底上制备了全介质光栅结构, 利用近红外光抽运-太赫兹探测(near infrared pump-Terahertz probe)技术对该全介质光栅在THz波段的光谱响应及其光调控特性进行了测试, 最后结合电磁仿真结果, 对米谐振(Mie resonance)的形成机理和光调控机理进行了解释并对调控光作用下全介质光栅的电导率数值进行了估算. 研究结果表明: 在光栅与THz偏振垂直的情况下, 该全介质光栅在0-1.0 THz范围内有3个典型的米谐振峰且谐振模式各不相同; 随着调控光功率的增加, 3个谐振峰的谐振强度出现了不同程度的减弱, 其中第一个谐振峰的光调控幅度达到50%以上, 调控光作用下米谐振强度的减弱是由于光生载流子对入射THz波的吸收和散射导致了介质光栅内部感生电磁场减弱引起的. 上述工作对全介质超材料在THz波段的共振特性研究和相关光调控器件的研制具有重要参考价值.     

太赫兹波被动遥感卷云微物理参数的敏感性试验分析

太赫兹波长和典型卷云的冰晶粒子尺度处于同一量级,其在遥感卷云微物理参数(粒子尺度和冰水路径)方面具有广阔的应用前景.为了评估卷云微物理参数对太赫兹波传输特性的影响及其在太赫兹波段的敏感性,基于大气辐射传输模式分别模拟计算了晴空和有云条件下大气层顶的太赫兹辐射光谱特征,分析了这两种条件下辐射亮温差值的特点,研究了卷云冰晶粒子形状、粒子尺度及冰水路径对太赫兹辐射传输特性的影响,并定量计算了相关敏感系数.结果表明:卷云冰晶粒子形状、粒子尺度、冰水路径等对太赫兹波传输特性均有不同程度的影响,卷云效应也因通道频率而异,太赫兹波对卷云的粒子尺度和冰水路径有较高的敏感性,是理论上被动遥感卷云微物理特性的最佳波段.研究结果对于进一步发展太赫兹波被动遥感卷云技术、提高卷云参数的反演精度具有重要意义.