光温双控太赫兹波调制特性研究

基于多频带金属开口谐振环结构,利用GaAs材料的光敏特性和VO₂薄膜的热致相变特性,设计了一种既能实现光控又能实现温控的太赫兹(Terahertz, THz)波调制器,研究了光强和薄膜温度对 THz波调制特性的影响。结果表明,随着光强的增加,谐振频率均出现蓝移且谐振强度减小,当光强达到0.2 μJ·cm-2时,第二个谐振点(0.52 THz)蓝移了0.14 THz,透射幅度增加达50%;随着VO₂温度增加至相变温度以上,THz波透射幅度急剧减小,在0.63 THz处透射幅度减小达45.5%;当光强和温度同时控制时,随着光强和温度的增加,谐振点频率蓝移且谐振点处的THz波透射幅度增加,但在温度超过相变温度后,则温度控制起主导作用。设计的THz波调制器能通过光控和温控实现对THz波的明显调制效果,可为实现多功能的THz波功能器件的设计及应用提供参考。     

基于液晶光子晶体的太赫兹波调制器

太赫兹波调制器是太赫兹波通信系统中关键的一环,同时,可调谐光子晶体作为一种新兴材料,被广泛地用于制作光通信系统中的调制器、光开关和滤波器等功能器件。光子晶体技术和太赫兹波技术相结合为设计太赫兹波调制器提供了新的思路。提出了一种基于二维硅光子晶体的新型太赫兹波调制器。该光子晶体采用点、线缺陷组合的结构,通过在点缺陷处填充5CB液晶,使其成为可调谐光子晶体。当在点缺陷处外加电场时,此太赫兹光子晶体的缺陷态频率发生动态迁移。基于这种机制,此器件可对太赫兹波的通、断状态进行调制。仿真结果表明,调制器的调制深度大于30dB,调制速率为10kHz,具有体积小巧、易于集成的优点。     

基于石墨烯超材料表面等离子体激元共振的增强太赫兹调制

基于表面等离子体共振原理,采用石墨烯超材料设计了开口环结构,用于调制太赫兹波.增加石墨烯的费米能级,改变开口环的开口距离,叠加多层石墨烯以增强石墨烯超材料的共振强度,进而增强太赫兹波调制,调制频率范围包括低频段和高频段.由于石墨烯费米能级的可调谐性,单层结构在高低两个频段的调制深度分别为81%和68%,多层结构在高低两个频段的调制深度分别增加到93%和95%,为动态调制提供了可能.该设计为调制器、吸收体等太赫兹器件的设计提供了指导和借鉴.     

基于石墨烯超材料表面等离子体激元共振的增强太赫兹调制（英文）

基于表面等离子体共振原理,采用石墨烯超材料设计了开口环结构,用于调制太赫兹波.增加石墨烯的费米能级,改变开口环的开口距离,叠加多层石墨烯以增强石墨烯超材料的共振强度,进而增强太赫兹波调制,调制频率范围包括低频段和高频段.由于石墨烯费米能级的可调谐性,单层结构在高低两个频段的调制深度分别为81%和68%,多层结构在高低两个频段的调制深度分别增加到93%和95%,为动态调制提供了可能.该设计为调制器、吸收体等太赫兹器件的设计提供了指导和借鉴.     

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.     

二维电子气等离激元太赫兹波器件

固态等离激元太赫兹波器件正成为微波毫米波电子器件技术和半导体激光器技术向太赫兹波段发展和融合的重要方向之一。本综述介绍AlGaN/GaN异质结高浓度和高迁移率二维电子气中的等离激元调控、激发及其在太赫兹波探测器、调制器和光源中应用的近期研究进展。通过光栅和太赫兹天线实现自由空间太赫兹波与二维电子气等离激元的耦合,通过太赫兹法布里-珀罗谐振腔进一步调制太赫兹波模式,增强太赫兹波与等离激元的耦合强度。在光栅-谐振腔耦合的二维电子气中验证了场效应栅控的等离激元色散关系,实现了等离激元模式与太赫兹波腔模强耦合产生的等离极化激元模式,演示了太赫兹波的调制和发射。在太赫兹天线耦合二维电子气中实现了等离激元共振与非共振的太赫兹波探测,建立了太赫兹场效应混频探测的物理模型,指导了室温高灵敏度自混频探测器的设计与优化。研究表明,基于非共振等离激元激发可发展形成室温高速高灵敏度的太赫兹探测器及其焦平面阵列技术。然而,固态等离激元的高损耗特性仍是制约基于等离激元共振的高效太赫兹光源和调制器的主要瓶颈。未来的研究重点将围绕高品质因子等离激元谐振腔的构筑,包括固态等离激元物理、等离激元谐振腔边界的调控、新型室温高迁移率二维电子材料的运用和高品质太赫兹谐振腔与等离激元器件的集成等。     

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.     

太赫兹频段开口环谐振器的可调谐振模式转换

在硅衬底上设计了一种单开口环谐振器，对其太赫兹频段内的透射性质进行了研究。假定通过光注入方式改变衬底硅的电导率，实现了谐振环的双谐振透射率可调。将砷化镓材料生长于该谐振环的开口处，通过光注入方式改变砷化镓材料的电导率，可以实现谐振环的双频LC共振和偶极子共振模式与单频闭合环共振模式之间的转换。这种通过光注入改变半导体材料电导率的方法，可以在不破坏原来谐振器件物理结构的前提下，实现谐振环谐振模式的可逆转换。     

石墨烯太赫兹波动态调制的研究进展

石墨烯是一种有着独特电学和光学性质的二维材料,近年来在太赫兹波动态调制的研究中有着广泛的应用。本文主要对基于石墨烯的太赫兹波动态调制器件进行了综述,分析了电调制、光调制和光电混合调制3种调制方法的原理和优缺点,介绍了近几年来将石墨烯应用于太赫兹波动态调制所取得的一系列科研成果,着重对不同器件的调制性能进行了对比,分析了优势和不足。石墨烯可调超材料为实现更快速、高效的太赫兹调制器件提供了新的思路。     

基于液晶空间光调制器的太赫兹波频谱调制

频谱可调制的太赫兹波具有广泛的应用价值。利用一台纯相位式的液晶空间光调制器对飞秒激光脉冲进行空间整形,通过改变飞秒激光脉冲的横向空间分布,实现太赫兹波频谱的调制。在实验中,利用光泵浦整流方式产生太赫兹波,并利用太赫兹时域光谱系统对太赫兹信号进行探测。通过GS算法在液晶空间光调制器上加载不同的相位图,获得了不同的飞秒激光脉冲横向空间分布。通过改变探测距离和飞秒脉冲的空间分布参数,实现了太赫兹波频谱的调制。还利用菲涅尔衍射算法对这一过程进行了理论模拟,理论模拟结果与实验结果吻合的较好,这充分说明了基于飞秒脉冲空间整形的太赫兹光谱调制技术的可行性。     

Tuning the resonance in high-temperature superconducting terahertz metamaterials

In this Letter, we present resonance properties in terahertz metamaterials consisting of a split-ring resonator array made from high-temperature superconducting films. By varying the temperature, we observe efficient metamaterial resonance switching and frequency tuning. The results are well reproduced by numerical simulations of metamaterial resonance using the experimentally measured complex conductivity of the superconducting film. We develop a theoretical model that explains the tuning features, which takes into account the resistive resonance damping and additional split-ring inductance contributed from both the real and imaginary parts of the temperature-dependent complex conductivity. The theoretical model further predicts more efficient resonance tuning in metamaterials consisting of a thinner superconducting split-ring resonator array, which are also verified in subsequent experiments.     

基于开口环的可调谐滤波器及其电磁带隙

基于开口谐振环上加载变容二极管设计可调谐滤波器,很好地实现了电磁波带隙的可调.在单环开口谐振环缝隙处或者双环开口谐振环的两环之间加载变容二极管,改变加载变容管上得的电压,改变该结构的分布参量而达到滤波器可调性能.同时通过数值计算分析了该滤波器结构对电磁波的频率响应函数,指出其形成电磁波带隙的物理机制,为了消除开口谐振环的磁谐振效应而关闭开口谐振环的缝隙实验进行了验证.研究表明基于变容管开口环的可调谐滤波器所形成的电磁波带隙中,有的带隙是源于磁谐振机制.有的带隙是源于电谐振机制.对该滤波器形成带隙物理机制的研究,可以更好地理解开口谐振环,有助于其在光学和微波波段器件的设计.     

Thermal broadband tunable Terahertz metamaterials

A thermally tunable metamaterial comprising a periodic array of metallic split-ring resonators with an embedded semiconductor has been proposed. The resonance frequencies of the metamaterial are demonstrated to be continuously tuned in the terahertz regime by increasing the temperature. The tunability is attributed to the temperature-dependent permittivity of the embedded semiconductor and well analyzed by an equivalent capacitor-inductor model. The proposed designs ensure broadband thermally tunable terahertz devices.     

基底对亚波长金属双环结构太赫兹透射性质的影响

太赫兹波通过人工金属亚波长结构开口共振环(SRRs)可以产生共振吸收, 目前普遍采用LC振荡电路和线性振子模型来解释. 利用太赫兹时域光谱系统测得并无开口的亚波长金属双环和反双环结构阵列透射的太赫兹波, 结果仍然观察到在太赫兹透射谱中存在吸收峰. 分析得出此吸收峰的出现可以用线性振子模型解释. 此外, 研究发现若将此结构制作到石英基底上, 当以样品表面法线方向为轴旋转样品时其太赫兹透射时域波形和频谱均会随旋转角度出现明显的周期性变化, 而以硅为基底并不出现此现象. 本文将其原因归结为石英基底的双折射效应对亚波长金属双环结构太赫兹透射性质的影响. 本文主要目的是分析造成这种影响的物理过程.     

在太赫兹波段的开口共振环的不同开口形状对透过率频谱的影响

通过对不同开口形状的太赫兹(THz)波段共振环(SRR)的有限时域差分(FDTD)模拟,发现了SRR不同开口形状在发生共振时对开口间距的平均值具有相同的透过率频谱分布的均值效应;并且观察到了在开口边缘很尖的特殊条件下,SRR开口将出现导通现象.此结果可为今后SRR开口工艺设计与质量控制提供参考,也可为SRR工作机理的进一步分析研究提供有关的依据. 关键词： 太赫兹 开口共振环 开口形状 FDTD     

Terahertz wave modulator based on optically controllable metamaterial

We demonstrated experimentally a terahertz wave modulator based on optically controlled metamaterial. The signal modulation mechanism of the presented terahertz wave modulator was based on the resonance characteristic of metamaterial controlled without or with light excitation. A modulated semiconductor laser with 808 nm wavelength was employed to light the substrate. The interaction between the metamaterial and terahertz wave was strengthened and yielded an appreciable modulation of the terahertz output beam. The modulation speed is 0.1 Kb/s and the modulation depth of the proposed terahertz modulator is about 57% at a frequency of 0.32 THz.     

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。     

Thermal tunability in terahertz metamaterials fabricated on strontium titanate single-crystal substrates

We report an experimental demonstration of thermal tuning of resonance frequency in a planar terahertz metamaterial consisting of a gold split-ring resonator array fabricated on a bulk single-crystal strontium titanate (SrTiO?) substrate. Cooling the metamaterial starting from 409 K down to 150 K causes about a 43% shift in resonance frequency, and there is very little variation in resonance strength. The resonance shift is due to the temperature-dependent dielectric constant of the strontium titanate. The experiment opens up avenues for designing tunable terahertz devices by exploiting the temperature-sensitive characteristic of high dielectric constant substrates and complex metal oxide materials.