基于频率选择表面的双层改进型互补结构太赫兹带通滤波器研究

通过仿真计算和实验研究了一种基于频率选择表面的双层改进型互补结构太赫兹带通滤波器.对四裂缝互补型电感电容式谐振单元结构进行了改进,可以在提高滤波性能的同时增加单晶石英介质衬底的厚度.利用电磁仿真技术设计并加工了中心频率为0.28 THz的带通滤波器,并利用太赫兹时域光谱仪测试了在0.1—0.6 THz范围内此滤波器的传输频谱特性,实验结果与仿真结果基本一致.结果表明,利用双层改进型互补结构可以设计出对于入射角度不敏感、带外抑制佳、边带陡峭度大、能有效抑制寄生谐振的宽带太赫兹带通滤波器,并降低了加工难度.     

利用3D打印技术制备太赫兹器件

高性能的太赫兹器件在控制太赫兹波方面起到重要的作用,因此寻求一种简单有效的太赫兹器件加工方案非常必要。本文以太赫兹波导和太赫兹滤波器为例,分别选用Kagome型光子晶体结构的波导和一维光子晶体结构的滤波器,运用商用的3D打印机加工样品,并采用透射式太赫兹时域光谱系统对样品的参数进行测量。实验结果表明:加工的波导在0.2~1.0 THz范围内传输损耗平均值约为0.02 cm~(-1),最小值可达到0.002 cm~(-1),且可运用机械拼接的方式将多个波导进行简单的连接从而获得更长的波导而不引起严重的损耗;滤波器的透射谱在0.1~0.5 THz之间有两个明显高损耗带;这两组实验结果均与理论预计非常接近。本文运用太赫兹波导和滤波器的实例证实了3D打印技术加工太赫兹器件的可行性,将会成为获取性能可控、价格低廉的太赫兹器件的有效途径。     

基于聚酰亚胺基底的太赫兹滤波器

超材料是通过人工方式做成的具有特殊电磁特性的亚波长周期性金属结构,通过合理的设计样品结构,可以实现自然界中传统材料无法实现的电磁现象。超材料可以广泛用于电磁隐身、完美吸收、负折射率等研究领域,近些年,随着太赫兹技术的发展,太赫兹超材料器件被广泛研究。由于硅（Si）对于太赫兹波的透过率较高,通常选取Si作为基底材料。但Si硬度较高、不易弯曲且易碎等缺点限制了THz超材料的应用。聚合物材料聚酰亚胺具有柔性,作为基底,克服了传统硅基底的缺点,透过率可以与Si匹敌,而且其表面光滑,适合传统光刻技术加工。对聚酰亚胺在太赫兹波段光学性质的测试结果表明,此种材料的折射率在1.9左右,透过率达到80%以上。设计了一种双开口谐振环结构,研究了其太赫兹波透射性质以及随太赫兹波的入射角度和样品曲率的变化规律,发现透射峰强度和峰位均不发生改变。此结果展示了将平面滤波延伸到曲面滤波领域的可能性,若将聚酰亚胺基底做薄,为今后太赫兹频段隐身衣的研究提供基础。将不同结构的两种样品叠加在一起制成宽谱滤波器, 50%的带宽达到181 GHz。此种宽带滤波器制作简单,滤波效果显著,为太赫兹波段宽带滤波器的制作提供一种新思路。     

激光诱导和化学镀铜制备太赫兹偏振器和滤波器

利用激光诱导与化学镀铜的方法在聚酰亚胺薄膜上制备了太赫兹线栅偏振器和带阻滤波器,用太赫兹时域光谱系统对所制备的器件进行了测试。测试结果表明,该方法制备的太赫兹线栅偏振器在0.2～1.5 THz范围内的消光比优于20 dB,耶路撒冷十字结构带阻滤波器的3个中心频率分别为0.41、1.07、1.47 THz。实验结果与时域有限差分法的仿真结果基本相符。研究表明激光诱导与化学镀铜是一种简单灵活且能有效地制备太赫兹器件的方法。     

太赫兹波段纳米颗粒表面增强拉曼散射的研究

研究了太赫兹波段纳米颗粒的表面增强拉曼散射,证明在太赫兹波段同样存在拉曼增强现象。通过研究表面增强拉曼散射的电磁增强原理,提出利用时域有限差分法仿真模拟纳米颗粒在太赫兹波照射下的表面增强拉曼散射,分析了太赫兹波的增强效果。仿真实验表明,时域有限差分法可以有效精确仿真太赫兹波段纳米颗粒的散射效果,结果使表面增强拉曼散射从可见光和红外波段扩展到太赫兹波段,为太赫兹波与表面增强拉曼散射的结合应用提供了依据。     

小波变换在太赫兹时域光谱分析中的应用

随着超快激光技术的发展及其人们对太赫兹(THz)电磁波波段与脉冲光源认识的进一步深入,太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术作为一种新的、快速发展的光谱分析方法在许多领域备受关注。利用太赫兹时域光谱技术在空气环境下测量样品时,样品的太赫兹光谱会因空气中水蒸气的影响而出现振荡现象。文章利用太赫兹时域光谱分析技术分别在氮气和空气环境下测量了七种样品在0.2～1.9太赫兹波段的光谱,并以氮气环境下的太赫兹光谱为参考,利用小波变换对空气环境下测量的数据进行了处理,消除了太赫兹光谱中水蒸气吸收造成的影响,实验结果证明了该方法的可行性,在此基础上,还对其中四种样品做了成像和识别,并得到了较好的结果。     

太赫兹技术在爆炸物检测中的应用

研究了太赫兹成像技术在爆炸物探测中的应用,分析了太赫兹透射型时域光谱系统的实验装置,介绍了太赫兹时域光谱的测量步骤。确定了四种爆炸物样品(TNT,RDX,DNT,HMX)在太赫兹波段的吸收谱。结果表明,这四种爆炸物样品在0~2.5THz的频率范围内均存在特征吸收峰,这为太赫兹技术检测爆炸物提供了一种有效的途径。     

数字型太赫兹带通滤波器的逆向设计及优化

针对高性能太赫兹功能器件的规范化设计需求,本文将智能逆向设计方法应用于太赫兹带通滤波器的设计与优化中.建立与数字空间映射的亚波长超表面等效模型,从设定器件的目标功能和约束条件出发,利用智能算法探索整个解空间中的全部可能结构,迭代寻优至最优结构图案.本文利用搭建的逆向设计框架设计了中心频率为0.51 THz、带宽为41.5 GHz、插入损耗为–0.1071 dB的太赫兹带通滤波器.与传统的人工正向设计相比,逆向设计方法可解构出窄带、低插入损耗、带外抑制强、极化稳定性强的带通滤波器.     

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.     

Terahertz wave narrow bandpass filter based on photonic crystal

We designed a narrow bandpass terahertz wave filter using photonic crystals with a line defect. An inserted linear defect in one-dimensional photonic crystal structures for a channeled filtering in the terahertz range are studied and designed theoretically. By using transfer matrix method, we examined the transmittance spectra for the proposed terahertz wave filter has a 3 dB transmission loss bandwidth of 20 MHz ranging from 0.29998 THz to 0.30001 THz. The simulated results show that a very narrow transmission band and high transmission (higher than 99.99%) centered at λ₀, and very sharp edges can be achieved.     

A Zone Plate as a Tunable Terahertz Filter

A broadband tunable terahertz filter based on a zone plate is demonstrated in our terahertz time domain spec- trometer. The central bandpass frequency covers the whole spectral range of the terahertz wave emitted from a ZnTe emitter, from 0.5 THz to 2.5 THz, and can be tuned continuously by simply moving the zone plate along the terahertz beam path. The peak transmission is about 40% and the bandwidth varies from 0.16 THz to 0.25 THz at different bandpass frequencies when the aperture size is kept constant.     

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.     

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。     

基于微流控技术的磁流体载基液的太赫兹透射特性研究

太赫兹(THz)是指频率在0.1～10 THz的电磁波,其波长在30～3 000 μm范围内。由于自然界许多小分子的振动、转动等的频率均在太赫兹波段,并且太赫兹的低电子能特性使其在实验过程中不会对待测样品造成破坏,所以太赫兹技术被广泛地应用于无损检测、生物医学等领域。但是太赫兹在铁磁领域的相关报道还是较少的,因此本研究利用太赫兹时域光谱系统研究了一种新型磁性材料：磁流体的组成部分-载基液的太赫兹透射特性。磁流体是一种兼具液体流动性和固体磁性的新型功能材料,其打破了传统磁性材料的固体形态。磁流体由Fe₃O₄纳米级颗粒以及载基液构成。在前人的研究成果中发现磁性液体不仅具有良好的磁光效应,而且对于一定频率的太赫兹波具有高透射率;另外,在极低频电磁场作用下其可用于医学上的肿瘤治疗,可作为靶向治疗的载药系统。由于磁流体的组成部分-载基液成本较高,因此在实验中运用了微流控技术。微流控技术对检测样品的消耗少、检测速度快,并且可以根据实验需求自行设计沟道,因此是一种便捷的、灵活性好的检测方式。采用对太赫兹波具有高透过率的石英材料制成了夹心式的太赫兹微流控芯片。首先将两块3 cm×3 cm×2 mm的石英玻璃作为基片和盖片,再把强粘黏性双面胶剪刻成镂空样式,形成2 cm×2 cm的方形区域,然后把盖片和基片通过雕刻好的强粘黏性双面胶键合,其沟道厚度为50 μm,可以用于对少量液体的探测,并且可以使载基液呈薄膜状。之后将太赫兹技术和微流控技术相结合,利用太赫兹时域光谱(THz-TDS)系统研究了载基液的太赫兹透射特性,通过对太赫兹时域光谱以及频域光谱的研究发现,装有载基液的微流控芯片的信号强度高于空的微流控芯片,这一发现为载基液的应用和深入研究提供了技术支持。