基于石墨烯互补超表面的可调谐太赫兹吸波体

通过在石墨烯超表面设计周期性切条,实现了基于石墨烯互补超表面的可调谐太赫兹吸波体.通过改变外加电压来改变石墨烯的费米能级,吸波体实现频率可调谐特性.研究了石墨烯费米能级、结构尺寸对超材料吸波体吸收特性的影响,并利用多重反射理论研究了其物理机理并且证明了模拟方法的可行性.研究结果表明:当石墨烯费米能级取0.6 eV,基底厚度13μm,石墨烯上切条长宽分别为2.9μm,0.1μm时,吸波体在1.865 THz可以实现99.9%的完美吸收;石墨烯费米能级从0.4 eV增大到0.9 eV,吸波体共振频率从1.596 THz蓝移到2.168 THz,且伴随共振吸收率的改变,吸收率在0.6 eV时达到最大;通过改变费米能级实现的最大吸收率调制度达84.55%.     

基于一维随机硅光栅的石墨烯表面等离子体安德森局域

提出了一种中红外波段下探究表面等离子体在石墨烯与硅光栅混合结构中传输安德森局域的方法.在石墨烯片下设计一维随机硅光栅结构来实现石墨烯表面等离子体随机硅光栅.通过调节石墨烯的费米能级来改变由硅光栅的无序引起的石墨烯表面等离子体安德森局域的共振波长.当费米能级是0.6eV时,局域石墨烯表面等离子体在随机硅光栅结构中的场强强度比在周期性硅光栅结构中大70倍.该结构有望应用于可调集成滤波器,宽带调制器以及等离子体传感器等.     

基于石墨烯-金属混合结构的可调超材料吸波体设计

利用石墨烯与金属相结合的方法提出了一种新型超材料吸波体结构,通过改变外加偏置电压来改变石墨烯的费米能级,在微波段分别实现了单频和宽频的振幅可调性,并阐述了其电磁吸波及振幅可调的机理。对单一频段下的超材料结构进行了模拟仿真,结果表明,当结构参数不变时,吸波体的吸收强度随石墨烯费米能级的增加而不断减小,最大调制深度达到了58.6%。当石墨烯费米能级为0eV时,吸波体的中心频率随结构参数的改变而改变。基于多吸收峰叠加扩展带宽的原理,利用不同尺寸单元的排列实现了宽频吸波的特性,并通过仿真模拟证明了该宽频吸波体具有振幅可调的性质。     

石墨烯和对称开口谐振环超材料中可调谐的双等离激元诱导透明现象

提出了由石墨烯和两对对称开口谐振环构成的等离激元诱导透明(PIT)超材料结构,该PIT超材料结构之间的耦合形式为暗-亮-暗模式.通过有限元方法模拟,观察到双PIT透明窗口,通过改变石墨烯的费米能级或者改变开口谐振环的几何参数来动态地调制PIT窗口.理论结果表明,当石墨烯与两对对称的开口谐振环之间的相互作用距离为0.5 μm、石墨烯费米能级为1.5 eV时,可得到最优的双透明窗口.双PIT效应在非线性器件、可调谐传感器、开关和慢光器件等方面有潜在的应用价值.     

石墨烯和对称开口谐振环超材料中可调谐的双等离激元诱导透明现象（英文）

提出了由石墨烯和两对对称开口谐振环构成的等离激元诱导透明(PIT)超材料结构,该PIT超材料结构之间的耦合形式为暗-亮-暗模式.通过有限元方法模拟,观察到双PIT透明窗口,通过改变石墨烯的费米能级或者改变开口谐振环的几何参数来动态地调制PIT窗口.理论结果表明,当石墨烯与两对对称的开口谐振环之间的相互作用距离为0.5μm、石墨烯费米能级为1.5eV时,可得到最优的双透明窗口.双PIT效应在非线性器件、可调谐传感器、开关和慢光器件等方面有潜在的应用价值.     

基于石墨烯超材料深度可调的调制器

目前人们已经实现了很高的调制深度,但是缺少对如何实现调制深度可调的研究,不利于实现波整形。利用石墨烯的电调谐性以及石墨烯超材料的表面等离激元(SPP)共振特性,设计了一种能够在某一频率实现调制深度可调的调制器,且调制深度为极大值,便于取样及检测,并运用谐振子模型对透射规律进行了理论分析。基于三维电磁场仿真软件时域求解器仿真,得到了对应频率为11.85THz的一系列的调制深度,其中最大调制深度可达到96%以上。这一系列的调制深度可以通过电压调节石墨烯的费米能级来进行调制转换,将极大地促进调制器在波整形中的应用,如生成正弦波、三角波及方波等。此外,这种结构可以实现类电磁感应透明(EIT)现象,不仅能够实现透射峰的频移和展宽,而且可以使展宽前后的中心频率保持一致。     

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,通常从调节谐振单元或基底材料的电磁特性或调节超材料结构单元的几何尺寸两个方面出发。设计了一种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。该吸收器由工字型二氧化钒谐振层、连续石墨烯层和被Topas介质隔开的金属反射层组成。数值模拟结果表明,当二氧化钒材料处于全金属状态（电导率为200 000 S·m-1）且石墨烯的费米能级设为0.1 eV时,吸收率超过90%的吸收带宽达到了2.8 THz。通过调节石墨烯的费米能级,使其在0.1～0.3 eV之间变化时,该吸收器的工作频率发生了明显的蓝移。由于二氧化钒材料从绝缘状态到金属状态的相变特性,通过控制电导率使其在100～200 000 S·m-1之间变化时,所提出的宽频结构在反射器和吸收器两种工作状态之间自由切换。此外,还分别监测了该超材料吸收器在1.87,3.04和4.16 THz三个完美吸收峰处的表面电流分布,讨论了其工作机理。所设计的结构通过石墨烯和二氧化钒两个独立可调“开关”实现了对吸收器工作频率和吸收振幅的双重控制,为设计多功能太赫兹器件提供了新的发展思路。     

一种太赫兹类电磁诱导透明超材料谐振器

理论和实验研究了一种由开口谐振环(SR)和双金属线(CW)组合的具有类电磁诱导透明(EIT)效应的SR/CW太赫兹谐振器。分别对由单侧开口和双侧开口谐振环的SR/CW谐振器特性进行了仿真,并分析了开口环在结构单元中位置的变化对谐振峰强度和品质因子Q的影响。结果表明,两个谐振器在0.7THz附近的谐振峰是由开口环LC谐振和双金属线偶极谐振干涉相消引起的。开口环位置变化对单侧开口环的SR/CW结构谐振峰强度和Q值影响较大,而对双侧开口环的SR/CW谐振器的影响很小。利用激光诱导与化学镀铜技术制备了SR/CW谐振器样品,并利用太赫兹时域光谱(THz-TDS)对样品进行了透射性能测试,测试结果与仿真分析基本相符。     

石墨烯巴比涅互补结构的太赫兹波透射行为

利用CST电磁场仿真软件模拟设计了基于石墨烯巴比涅互补结构的太赫兹超材料,分别研究了互补层间距、石墨烯费米能级、互补层数对太赫兹波透射谱的影响.模拟结果表明:互补层之间的强烈耦合作用使得太赫兹波的透射得到显著增强;在间距较小时,共振频率随着间距增大而发生蓝移;在间距较大时,共振频率随着间距增大而发生红移,并且透射峰值强度大幅减弱;透射峰频率随着石墨烯费米能级减小而单调减小;增加耦合的互补层数,可使得透射频宽变宽.所设计结构可作为可调控的太赫兹带通滤波器使用.     

基于类电磁诱导透明效应的太赫兹折射率传感器

利用时域有限差分法对由闭合方环(SCL)和开口谐振环(SRR)组合构成的平面太赫兹谐振器实现的类电磁诱导透明(EIT)效应及其折射率传感器进行了仿真分析。结果表明,该类EIT谐振峰对周围环境介质折射率变化具有很高的灵敏度,且其FOM(Figure of merit)值达到4.06,优于独立SCL或SRR结构传感器的0.09和2.48。利用激光诱导技术与化学镀铜技术在聚酰亚胺薄膜上加工了谐振器样品,并对其进行了透射性能测试,测试结果与仿真计算基本一致。     

Tunable electromagnetically induced transparency at terahertz frequencies in coupled graphene metamaterial

A graphene-based metamaterial with tunable electromagnetically induced transparency(EIT)-like transmission is numerically studied in this paper. The proposed structure consists of a graphene layer composed of coupled cut-wire pairs printed on a substrate. The simulation confirms that an EIT-like transparency window can be observed due to indirect coupling in a terahertz frequency range. More importantly, the peak frequency of the transmission window can be dynamically controlled over a broad frequency range by varying the Fermi energy levels of the graphene layer through controlling the electrostatic gating. The proposed metamaterial structure offers an additional opportunity to design novel applications such as switches or modulators.     

Optically implemented broadband blueshift switch in the terahertz regime

We experimentally demonstrate, for the first time, an optically implemented blueshift tunable metamaterial in the terahertz (THz) regime. The design implies two potential resonance states, and the photoconductive semiconductor (silicon) settled in the critical region plays the role of intermediary for switching the resonator from mode 1 to mode 2. The observed tuning range of the fabricated device is as high as 26% (from 0.76 THz to 0.96 THz) through optical control to silicon. The realization of broadband blueshift tunable metamaterial offers opportunities for achieving switchable metamaterials with simultaneous redshift and blueshift tunability and cascade tunable devices. Our experimental approach is compatible with semiconductor technologies and can be used for other applications in the THz regime.     

Classical analogue of electromagnetically induced transparency with a metal-superconductor hybrid metamaterial

Metamaterials are engineered materials composed of small electrical circuits producing novel interactions with electromagnetic waves. Recently, a new class of metamaterials has been created to mimic the behavior of media displaying electromagnetically induced transparency (EIT). Here we introduce a planar EIT metamaterial that creates a very large loss contrast between the dark and radiative resonators by employing a superconducting Nb film in the dark element and a normal-metal Au film in the radiative element. Below the critical temperature of Nb, the resistance contrast opens up a transparency window along with a large enhancement in group delay, enabling a significant slowdown of waves. We further demonstrate precise control of the EIT response through changes in the superfluid density. Such tunable metamaterials may be useful for telecommunication because of their large delay-bandwidth products.     

基于石墨烯编码超构材料的太赫兹波束多功能动态调控

提出了一种基于石墨烯带的太赫兹波段的1 bit编码超构材料,可以实现太赫兹波束的数目、频率、幅度等参数多功能动态调控.该结构由金属薄膜、聚酰亚胺、硅、二氧化硅、石墨烯带组成.通过对石墨烯带施加两种不同的电压,可以实现一定频率范围内相位差接近180?的"0"和"1"数字编码单元,进而构成1 bit动态可控的编码超构材料.全波仿真结果表明,不同序列的编码超构材料能够实现波束数目从单波束、双波束、多波束到宽波束的调控.相同序列的编码超构材料,通过施加石墨烯带的不同电压能够实现宽频段波束频率的偏移.对于000000或者111111周期序列的编码超构材料,通过施加石墨烯带的不同电压还能够实现波束幅度的调控.因此这种基于石墨烯带的编码超构材料为灵活调控太赫兹波提供了一种新的途径,将在雷达隐身、成像、宽带通信等方面具有重要的意义.     

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。     

Fabrication of terahertz metamaterials by laser printing

A laser printing technique was used to fabricate split-ring resonators (SRRs) on Si substrates for terahertz (THz) metamaterials and their resonance behavior evaluated by THz time-domain spectroscopy. The laser-printed Ag SRRs exhibited sharp edge definition and excellent thickness uniformity, which resulted in an electromagnetic response similar to that from identical Au SRR structures prepared by conventional photolithography. These results demonstrate that laser printing is a practical alternative to conventional photolithography for fabricating metamaterial structures at terahertz frequencies, since it allows their design to be easily modified and optimized.     

Polarization insensitive, broadband terahertz metamaterial absorber

We present the simulation, implementation, and measurement of a polarization insensitive broadband resonant terahertz metamaterial absorber. By stacking metal-insulator layers with differing structural dimensions, three closely positioned resonant peaks are merged into one broadband absorption spectrum. Greater than 60% absorption is obtained across a frequency range of 1.86?THz where the central resonance frequency is 5?THz. The FWHM of the device is 48%, which is two and half times greater than the FWHM of a single layer structure. Such metamaterials are promising candidates as absorbing elements for bolometric terahertz imaging.