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.     

太赫兹波在非磁化等离子体中的传输特性研究

本文对太赫兹波在非磁化等离子体中的传输特性进行了理论和实验研究,得到了非磁化等离子体中太赫兹波传输特性随太赫兹波频率、等离子体密度、碰撞频率和厚度的变化规律．发现了一些新的现象：随着太赫兹波频率增加,反射率曲线出现周期性振荡,振荡周期为0．03THz．随着太赫兹波频率增加,振荡幅度增加：随着等离子体密度增加,振荡幅度减小;随着等离子体碰撞频率增加,振荡幅度增加．反射率曲线出现振荡的原因是电磁波在z=0和z=-d界面处的多次反射所致．以激波管为实验平台进行了0．22THz太赫兹波在等离子体中传输特性的实验研究,实验结果和理论结果符合较好．理论和实验结果均表明,采用太赫兹来实现地面与飞行器之间的通信互联是解决黑障问题的可选途径之一．     

基于FDTD方法的THz电磁波反等离子体隐身特性分析

本文首先建立了非磁化等离子体覆盖金属目标的一维模型,然后结合该模型采用辅助差分方程时域有限差分(ADE-FDTD)方法对太赫兹(THz)电磁波在等离子体覆盖层中传播时的衰减系数进行了计算,并根据计算结果分析了等离子体碰撞频率、电子密度以及密度分布对不同频段THz电磁波吸收效果的影响.分析结果表明,等离子体覆盖层对处于太赫兹频段范围内的入射电磁波衰减很小,THz探测技术可以作为对抗等离子体隐身技术的一种有效手段.     

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     

THz电磁波在时变非磁化等离子体中的传播特性研究

本文建立了时变非磁化等离子体平板的一维模型,并采用时域有限差分(FDTD)方法对太赫兹(THz)电磁波在时变等离子体中传播时的反射、透射系数及吸收率进行了计算.然后根据计算结果分析了时变等离子体的上升时间、电子密度、温度以及等离子体平板厚度等参数对不同频段THz波在等离子体中传播特性的影响.分析结果表明:THz波在时变等离子体中传播时,其反射系数受等离子体电子密度和上升时间的影响较大;而吸收率则随着上升时间的减小、电子密度及平板厚度的增加而增大;此外,THz电磁波能够穿透量级为1020m-3的高密度等离子体层,可以作为再入段飞行器通信以及高密度等离子体诊断的理想工具.     

基于锑化铟亚波长阵列结构的太赫兹聚焦器件

基于锑化铟材料在太赫兹波段的横向磁光效应,提出了一种金属-空气-锑化铟-金属非对称周期性亚波长线栅阵列结构的表面等离子体器件,研究了外加磁场和温度对不同频率透射波聚焦特性的影响.结果表明,在外加磁场强度B=0.6 T、温度T=172 K时,可实现0.8 THz透射光束的聚焦,焦点处能流密度透过率比没有外加磁场时增强28倍.对于不同频率入射波,通过主动调节磁场强度和温度,能实现从0.4—0.8 THz宽频带的聚焦,而且焦点处的透过率相比于无外加磁场时的普通狭缝聚焦透过率增强20倍以上,该器件是太赫兹波段理想的可调谐、宽频段、高透过率的聚焦器件.     

基于金属光栅的氨基酸溶液太赫兹光谱检测

基于太赫兹金属光栅谐振传输现象,利用金属光栅表面等离子体共振对周围介质敏感的特性,设计了一种由金属光栅、样品池和高阻硅基底组成的免标记生物传感器.利用这种传感器在太赫兹时域光谱下测量了苏氨酸和精氨酸溶液的太赫兹透射光谱.结果表明:苏氨酸和精氨酸的共振频率随着溶液浓度改变在0.6～0.75 THz之间出现频移,并且苏氨酸和精氨酸的混合样品的光谱并不是两者光谱的线性叠加.     

基于金属光栅的氨基酸溶液太赫兹光谱检测（英文）

基于太赫兹金属光栅谐振传输现象,利用金属光栅表面等离子体共振对周围介质敏感的特性,设计了一种由金属光栅、样品池和高阻硅基底组成的免标记生物传感器.利用这种传感器在太赫兹时域光谱下测量了苏氨酸和精氨酸溶液的太赫兹透射光谱.结果表明:苏氨酸和精氨酸的共振频率随着溶液浓度改变在0.6~0.75THz之间出现频移,并且苏氨酸和精氨酸的混合样品的光谱并不是两者光谱的线性叠加.     

太赫兹波斜入射到磁化等离子体的数值研究

针对“黑障”问题,借助于电磁波斜入射到磁化等离子体的传输模型,研究了太赫兹(THz)波在磁化、均匀等离子体中的传输特性,分析了太赫兹波在磁化等离子体中传播的反射、透射以及衰减。仿真结果表明,等离子体碰撞频率、电子密度、入射角度以及磁场强度,对衰减产生不同的影响。单纯的增加碰撞频率,衰减值呈现出先增大后减小的变化趋势;电子密度的增加,与衰减峰值的大小有关;外加磁场加入,衰减值降低。通过调节外加恒定磁场,可以有效地解决“黑障”问题。     

不同模态沙尘暴对太赫兹波的衰减分析

太赫兹波空间传输特性研究对于太赫兹波在空间中的应用具有重要意义.为研究太赫兹波在沙尘暴天气中的传输特性,本文根据沙尘粒子尺度的对数正态分布,应用Mie散射理论和Monte Carlo方法,分析了国内不同地域的六种干沙模态沙尘暴对1—10 THz频段太赫兹波的衰减特性,给出了消光参量和衰减率与频率的关系.结果表明,随着频率的增大,1—10 THz频段太赫兹波的衰减率呈先增加后减小的趋势,沙尘暴的模态不同,太赫兹波衰减较强的频段范围有所不同.为了分析沙粒含水量对太赫兹波传输衰减的影响,计算了不同尺寸的沙尘粒子3个效率因子与含水量的关系,发现粒子尺寸不同,含水量对消光的影响也不同;应用Monte Carlo方法计算了两种湿沙模态的沙尘暴对1—10 THz频段太赫兹波的衰减,给出了衰减率与含水量及频率的关系.结果表明,随沙粒含水量增大,沙尘暴对太赫兹波衰减较强的频段向低频方向移动,含水量小于5%时,太赫兹波衰减率随含水量增大显著增强,湿度较大的沙尘暴天气对太赫兹波的传输衰减影响更大.     

太赫兹波在雾中的多重散射特性

太赫兹(THz)波作为微波和毫米波的延伸,它所提供的通信带宽和容量远大于毫米波。在随机介质中传播时,不但会发生时域和空域的形变,介质中的粒子还会对入射波发生散射,这些都会使得脉冲信号发生衰减。根据Mie理论与随机离散分布粒子的波传播与散射理论,计算了THz波信号入射下雾滴粒子的消光系数。结合雾滴粒子谱分布,得到了雾媒质的平均体系散射特性,采用蒙特卡罗法得到了平流雾对THz信号的多重散射特性,计算了THz波段信号对平流雾的透过率与反射率,分析了THz波段信号的前向、后向散射特性随散射角的分布。结果表明,低能见度大气环境中,雾对THz波产生的吸收和衰减不容忽视。相关研究结果对THz在大气传输、通信等方面的应用具有重要意义。     

毫米波与太赫兹波在等离子体中传输特性

针对黑障区高速飞行器测控通信研究需求,在激波管设备上开展了Ka波段毫米波与太赫兹波在等离子体中传输特性的实验研究,获得了不同电子密度和碰撞频率的等离子体中传输衰减特性实验数据。采用辅助差分方程的时域有限差分（ADE-FDTD）方法对实验进行了数值模拟,数值模拟结果和实验结果有很好的一致性。实验结果和数值模拟结果均表明:太赫兹波信号在相同的实验等离子体中传输衰减比毫米波信号小得多,具有更强的穿透等离子体能力;毫米波与太赫兹波信号在等离子体中传输衰减量随着等离子体电子密度的增加而增加,二者的差值也增加;太赫兹波能够作为解决高密度等离子体中电磁波传输的有效技术手段。     

Directional terahertz radiation through groove-assisted hole array

The authors theoretically demonstrate the terahertz beam shaping with metallic subwavelength holes array surrounded by concentric periodic grooves. High transmission and directional radiation can be obtained simultaneously for the resonant excitation of the surface wave in the combined structure. Finite-difference time-domain simulation results shows that the transmission mainly depends on the lattice constant of hole array and the features of incident surface around it, while the far-field angle distribution is dominated by the details of the output surface. This compact beam shaping structure is hoped to serve as a basic device for future terahertz systems.     

THz波在不同角度磁化的非均匀磁化等离子体中的传输特性分析

为利用太赫兹波解决飞行器再入过程遇到的“黑障”问题,以散射矩阵方法为基础,分别以非均匀磁化等离子体的磁化方向、电子密度、外加磁场强度和碰撞频率为变量,研究了垂直入射情形下它们对太赫兹波传输行为的影响.结果表明:这些参数对太赫兹波传输性能影响明显,例如按某一方向改变磁化角度对左极化和右极化太赫兹波的传输功率有相反的影响;降低磁化强度能一定程度地避开等离子体对右极化波的吸收;而降低碰撞频率能缩小等离子体对右极化波的吸收频带.通过调整这些参数,有望在一定程度上缓解黑障现象.     

太赫兹波在磁化等离子体中传输特性

建立了电磁波穿过磁化等离子体鞘套的一维模型,并采用数值分析方法对太赫兹（THz）电磁波在磁化等离子体鞘套中传播时的反射率、透射率和衰减值进行了计算仿真,分析了磁化条件下磁场强度、太赫兹波频率、等离子体鞘套厚度、等离子体碰撞频率和等离子体密度对太赫兹波在磁化等离子体鞘套中传播特性的影响。仿真结果表明:排除衰减波峰对应的频率范围,外加磁场有效降低了太赫兹波传输的衰减,在固定磁场强度下,衰减波峰两侧的衰减值均达到了5 dB以下,有效地解决了通信黑障问题。     

表面粗糙样品的太赫兹光谱参数提取方法研究

很多物质在太赫兹波段内的光谱参数具有指纹特征,这是太赫兹技术在安检等众多领域有所应用的基础。但是,目前常用的太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术提取物质光学参数的Duvillaret算法,要求样品上下表面平行且充分光滑。然而在很多有潜力的实际应用场合中,尤其是对于固体样品,表面粗糙度不可避免,并且不能使用模具压片等实验室制样手段来保证其表面的平行光滑特性,由此需要一种不受样品表面粗糙度影响且更具有普适性的光学参数提取算法来增加太赫兹时域光谱技术在实际场合下的应用能力。分析了太赫兹波透射表面粗糙样品的光程,建立了包含有样品粗糙度、折射率和消光系数的表面粗糙样品太赫兹透射模型,在已知粗糙度及平均厚度的条件下,提取出在太赫兹波段有特征吸收的表面粗糙样品的折射率和吸收系数,验证了此透射模型的适用性。首先,选择在太赫兹波段有特征吸收的α-乳糖和L-组氨酸作为实验材料,制作了质量分数和密度相同的表面粗糙样品和光滑样品,并在太赫兹时域光谱系统中获取它们的太赫兹透射实验数据;然后,利用建立的透射模型从实验数据中提取出了表面粗糙α-乳糖和L-组氨酸样品的折射率和吸收系数;最后,为衡量透射模型提取结果的优劣性,把Duvillaret算法作为另一种光学参数提取的参照方法,将本模型算法、Duvillaret算法对表面粗糙样品的提取结果分别与从平行光滑样品中提取的标准结果进行比较,计算两种提取方式与标准值之间的均方根误差(RMSE)。比较结果表明,相比于Duvillaret算法,本透射模型方法所提取出的表面粗糙样品的折射率和吸收系数与标准值之间偏差更小,在一定程度上减少了粗糙度对提取结果的影响,具有更高的精确度。因此,在已知表面粗糙样品的粗糙度以及平均厚度的条件下,利用此模型可较为精确地在太赫兹时域光谱系统中提取出物质的光学参数。此研究结果将有力推进太赫兹波光学参数提取技术的实际应用。     

太赫兹波段金属线栅的紫外光控特性研究

基于氧化铟纳米薄膜及金属线栅的特性,利用紫外激光诱导以金属线栅为衬底的氧化铟纳米结构,研究其对于太赫兹偏振透射的调制特性。实验中在金属线栅上滴入溶于乙醇的氧化铟溶液,并使溶液恰好浸润在金属线栅缝隙中,同时将加热台的温度调至340 ℃,对金属线栅中的氧化铟进行热退火。结果表明,氧化铟-金属线栅线长方向与太赫兹电场偏振方向垂直时,在低强度紫外光的照射下,该样品对太赫兹的透射强度有较为明显的衰减,当紫外光功率密度为7 mW·cm-2时,样品对太赫兹的调制深度可达71%;当氧化铟-金属线栅线长方向与太赫兹电场偏振方向平行时,紫外光激发下的样品对太赫兹的调制效果明显减弱,当紫外光功率密度为7 mW·cm-2时,调制深度约为20%。氧化铟纳米薄膜中存在的氧空位,使该材料对紫外光具有特殊响应。在无紫外光照射下,样品环境中的氧气分子被吸附到氧化铟表面,由于化学反应生成O2-离子态。当用光子能量大于氧化铟禁带宽度的紫外光激发样品时,在氧化铟表面激发出电子空穴对,空穴会被氧化铟表面的O2-离子态和缺陷态束缚,从而释放电子到导带,增强了样品的电导率。在太赫兹波频段内,透过氧化铟样品的太赫兹强度与氧化铟电导率有很好的相关性。金属线栅利用金属表面可存在的自由电子的振荡, 使电场方向与线栅方向平行的太赫兹偏振光激发电子沿线栅方向振荡,当电子与金属晶格中的原子碰撞时,此偏振光发生衰减并伴随辐射;而电场方向与线栅方向垂直的太赫兹偏振光,由于周期性结构的限制,无法激发自由电子振荡, 主要表现出透射特性。结合氧化铟的表面缺陷特性,紫外光可实现作为氧化铟-金属线栅结构的光控偏振开关作用,氧化铟-金属线栅结构偏振器能很好地应用于太赫兹波频段的光控偏振调制。     

Optical control over surface-plasmon-polariton-assisted THz transmission through a slit aperture

We demonstrate optical control over the transmission of terahertz (THz) radiation through a single subwavelength slit in an otherwise opaque silicon wafer. The addition of periodic corrugation on each side of the wafer allows coupling to surface plasmon polaritons, so that light not impinging directly on the slit can contribute to the transmission. A significant enhancement of the THz transmission can be achieved through control of the surface wave propagation length by excitation at optical wavelengths. The observed transmission increase is in distinct contrast to the reduction reported for photoexcitation of arrays of holes in semiconductors.     

Design of terahertz beam splitter based on surface plasmon resonance transition

According to the resonance transition between propagating surface plasmon and localized surface plasmon, we demonstrate a design of beam splitter that can split terahertz wave beams in a relatively broad frequency range. The transmission properties of the beam splitter are analyzed utilizing the finite element method. The resonance transition between two kinds of plasmons can be explained by a model of coherent electron cloud displacement.