利用样品阱实现太赫兹超材料的超微量传感

提出了一种基于太赫兹(terahertz, THz)类电磁诱导透明(electromagnetically induced transpanrency like,EIT-like)效应的样品阱超材料传感器.传感器基础单元结构由一根金属线和一对开口谐振环(split ring resonators, SRRs)组成,二者耦合产生类EIT效应,在1.067 THz处得到一个半高全宽为178 GHz的透明峰,透明峰最大透过率为89.71%.其传感单位体积灵敏度为178 GHz/(RIU·mm³),进一步分析该超材料谐振频点处的电场分布,发现两侧SRRs的开口处电场最强.我们设计构建样品阱仅在开口最强电场处,以光刻胶为待测物填入样品阱,并成功测得50 GHz频偏,验证样品阱结构可以运用于传感中.经研究分析,样品阱结构成功将样本量缩减至超微量级别,单位体积灵敏度提升至5538 GHz/(RIU·mm³),提高了31倍.该样品阱成功实现对水、人皮肤和大鼠皮肤样本的鉴别,表明了构建样品阱在THz超材料超微量检测领域具有潜在的应用价值.     

基于双开口金属环的太赫兹超材料吸波体传感器

本文提出了一种用于生物样品检测的高灵敏度太赫兹折射率超材料吸波体传感器.该传感器由2个同心开口金属环组成,是一种多模谐振器.传感器在0.7—2.5 THz频率范围内具有2个独立可调的工作频段,即1.079 THz和2.271 THz,可观测样品在太赫兹波段的不同电磁效应.采用吸收特性、灵敏度等指标评估太赫兹传感器的性能,自由空间中的吸收率超过99.9%,具有较高的频率选择特性,灵敏度达到693.7 GHz/RIU,检测生物样品最小折射率变化量为0.004,传感性能较好.所提出的传感器使用低介电常数的柔性材料,具有生物相容性、便携性等优点,且在0°—60°斜入射角下及4%的制作误差内显示出高度稳定性.此外,通过乙醇-水混合物模拟实验,验证了传感器的检测效果.本文设计的传感器单元结构之间相互作用小、稳定、易制作,能够显著增强光与物质之间相互作用,在太赫兹高灵敏生物传感检测中具有广阔的应用前景.     

基于裂环谐振器的高Q值太赫兹连续域束缚态全介质超材料

连续域束缚态（BIC）已被广泛用于设计具有高品质因数（Q值）谐振的超材料中。通过在一个周期单元中设置两对高折射率裂环谐振器（SRR）,设计了一种太赫兹全介质超材料。基于超晶格模式的对称性保护原理,通过改变其中两个SRR之间的距离,获得了可观测的准BIC(QBIC)模式。通过调节不对称度可以调制Q值,并且QBIC的Q值与结构的不对称度之间呈现出二次反比的关系。感应电场和磁场的空间分布以及感应电流的多极展开都表明了谐振是由电四极子的激发引起的。所提出的超材料具有较窄的谐振线宽,其灵敏度和FOM(figure of merit)分别为254.8 GHz/RIU和509.6,可以作为高灵敏度的折射率传感器。     

光电可调控频率选择表面

为实现频率选择表面(FSS)谐振频率的光电可调控特性,提出一种光电可调控频率选择表面.利用光电导薄膜光照导电特性控制金属FSS结构尺寸变化,实现FSS的主动可调.理论阐述了光电导及FSS选频特性原理,采用CST软件分别仿真了"Y"形带通型、"圆"形带通型和"Y"形带阻型三种FSS在光照时的频选特性.结果表明:随着结构尺寸变化,FSS的中心谐振频率分别从18 GHz、25 GHz、20.5GHz变为20.5GHz、29GHz、16.5GHz.采用镀膜、刻蚀及电子束蒸发等技术分别制作了单元结构尺寸变化前的金属FSS,以及变化后的金属与光电导薄膜结合的FSS,并对样件进行测试,结果表明:中心谐振频率分别从18GHz、24GHz、20GHz变为20GHz、28GHz、17GHz,与仿真变化趋势基本一致.采用该方法既可实现FSS中心谐振频率的可调控,也可从结构上实现FSS带通型和带阻型的转变.     

基于金属结构单元间耦合的左手材料的设计及实验验证

提出了基于金属结构单元间耦合进行左手材料设计的思想,并建立了理论分析模型.通过合理选择结构单元的结构参数并通过单元之间的耦合,使电谐振等效电路的谐振频率与磁谐振等效电路的谐振频率相等,从而最大限度地实现宽左手频带.加工、制作并测试了基于金属结构单元间耦合的左手材料.实验结果表明,测试样品具有相等的电谐振频率和磁谐振频率,其左手频带的带宽为24 GHz.实验结果与理论分析一致,验证了基于金属结构单元间耦合的左手材料设计思想. 关键词： 左手材料 单元间耦合 等谐振频率 宽频带     

基于发卡式开口谐振环的柔性双频带超材料

本文设计了一种基于开口谐振环(split ring resonator, SRR)混合排列单元格的小型化双频带超材料(metamaterial, MM). 该MM的单元结构为发卡式SRR, 所设计的双频带MM可以应用于无线局域网(2.4 GHz) 和全球微波互联接入(3.5GHz)系统. 并且, 采用柔性介质作为基板增加了MM的柔韧度和普适性, 实验和测试结果表明: 双频带MM的中心频率可以通过调节SRR的尺寸进行控制. 此外, 本文也对MM在不同入射角的情况进行了分析, 结果表明MM对入射角度不敏感.最后, 通过MM的表面电流分布情况研究, 进一步解释了其双频带谐振频率的产生原理.     

柔性双阻带太赫兹超材料滤波器

提出并设计了一种极化不敏感的柔性双阻带太赫兹超材料滤波器,并采用CST 2015仿真软件对该滤波器的结构进行仿真;为深入研究超材料滤波器的传输特性,分别对该超材料滤波器在2个谐振吸收峰处的电场强度和表面电流分布进行仿真;为验证仿真结果的正确性,采用微加工工艺制备了超材料滤波器样品,使用太赫兹时域光谱系统对其传输特性进行测试。仿真结果表明:该滤波器在0.131THz和0.182THz处获得了3dB带宽分别为15GHz和10GHz的2个阻带,并且在这2个谐振频率点的传输系数S21可以达到-43.56dB和-48.76dB,表现出了良好的阻带特性;测试结果与仿真结果比较吻合。     

基于双开口环结构的太赫兹超材料生物传感器

为了拓展超材料在太赫兹波段的生物传感应用,设计了一种双开口环结构的太赫兹超材料生物传感器,通过两个等效电容电感(LC)谐振实现了高折射率灵敏度传感。首先,使用有限积分技术(FIT)数值计算了该传感器的太赫兹光谱,并对其进行了结构尺寸优化。然后,在传感器表面放置了一层折射率可变的分析物,通过对不同透射光谱的计算分析,验证了该传感器具备161.06 GHz/RIU(RIU为折射率单位)的折射率灵敏度和1.98的品质因素(FOM)值。最后,采用传统光刻技术和剥离工艺在石英衬底上制作铜金属结构,制备了该传感器,利用其对牛血清白蛋白(BSA)溶液进行了实际测试,实验得到传感灵敏度为59.02 GHz/(ng·mm^-2)和检测下限为0.004 mg/mL。     

宽带透射吸收极化无关超材料吸波体

提出了一种新的基于磁性吸波体材料的具有低频透射和高频宽带吸收特性的超材料吸波体.该超材料吸波体在1 GHz的透射系数为-0.5 dB,具有较好的低频透射特性,可以实现对低频信号的相互通信;在频率大于8.4 GHz的频段,吸收率均大于80%,基本覆盖整个X波段和Ku波段,实现高频宽带吸收.此外,由于该超材料吸波体的单元金属周期结构具有较好的四重旋转对称性,因而是极化无关的.该透射吸收超材料吸波体设计简单,实用性强,具有较强的潜在应用价值.     

太赫兹超材料生物传感器的应用研究进展

太赫兹（THz）波,是指频率范围在0.1～10 THz的电磁波,在电磁波谱中处于红外与微波之间。太赫兹波的光子能量相对于可见光更低,1 THz对应的能量大约只有4.14 meV,意味着这将大大减少对生物体内组织器官的辐射而引起的伤害,不会对生物分子产生电离。因此,该波段在基础科学、人体安检、危险品检测、高速通信和医学成像等领域具有重要的潜在应用价值。但在医药和生物探测的应用中,通常需要检测微量的分析物,这就需要更高的灵敏度和检测的准确度。但是现存的检测方法受到太赫兹波强度检测可靠性不高的影响。基于超材料的生物传感可以通过增强局域电磁谐振,实现亚波长分辨,大大提高了传感器的分辨率与灵敏度,引起了人们的广泛关注。超材料是一种人工设计的周期性结构,通过合理设计可以增强局域电磁谐振响应,实现亚波长分辨,大大提高传感器的分辨率与灵敏度。太赫兹超材料传感器为生物传感领域提供了一种新的检测方法,具有灵敏度高、响应速度快、无标记检测等优点。随着微纳加工技术的快速发展,制作超材料太赫兹传感器的成本不断降低,从而在生物医学领域具有非常大的潜在应用价值。基于超材料的太赫兹传感器的研究已成为目前一个非常热门的国际前沿方向。但是关于太赫兹超材料传感器的最新研究进展未见报道,为此通过大量搜集并整理相关资料,综述了太赫兹超材料传感器在各种生物探测场景中的最新应用,分别从医学诊断、食品安全、农药检测等方面展开介绍。最后,对太赫兹超材料在生物传感器的发展和应用前景进行了总结和展望。该研究将为人们充分掌握太赫兹超材料生物传感器的最新应用进展提供重要参考,同时为太赫兹超材料传感器的发展和应用提供方向性的指导。     

基于树枝结构单元的超材料宽带微波吸收器

本文设计并制作了一种基于树枝结构单元的超材料宽带微波吸收器.该超材料吸收器采用夹层结构,由按六边形密集排布的金属树枝阵列、双层介质基板和金属薄膜组成.通过调节树枝单元的几何参数和金属树枝阵列的排布方式,可以出现三个吸收峰,实现三频工作.通过调节三个吸收峰工作的频率形成宽频吸收,采用夹层结构提高吸收效率,从而对垂直入射到超材料表面的微波实现高吸收.实验表明吸收器的反射曲线从9.79 GHz到11.72 GHz出现了反射率小于10%的较宽吸收带,透射曲线恒等于0,吸收率大于90%的带宽为1.93 GHz.这种 关键词： 树枝状结构 夹层结构 吸收效率 吸收带宽     

用于矢量水听器的低频高灵敏度层合梁加速度传感器

压电加速度传感器是同振型矢量水听器的核心部件。为了满足低频高灵敏度矢量水听器的应用需求,提出并研究一种具有层合梁结构的低频高灵敏度加速度传感器。结合弹性力学和压电方程推导层合梁加速度传感器的加速度灵敏度解析解表达式,通过有限元仿真对层合梁加速度传感器尺寸进行优化,给出优化后的尺寸范围。从优化的尺寸范围中选取两种不同尺寸进行加速度传感器振动特性的仿真分析及实物制作(其中压电材料为PZT-5)与性能测试。仿真与测试结果均表明,相比已有的同尺寸金属梁加速度传感器,层合梁加速度传感器可以有效降低谐振频率并提升加速度灵敏度。当压电层厚度为0.5 mm时,加速度灵敏度最大提升3.9 dB,谐振频率下降23%。测试结果与理论分析相符。      

适用于硅微谐振器件测量的光纤位移传感器研究

对一种适用于硅微机械谐振器件测量的光纤位移传感器进行了研究,该光纤位移传感器探头采用了单根光纤探测形式和光纤“X”耦合器结构,在微弱光电传感信号处理上采用了“锁相放大器”提取方案,可以实现对静态位移和振动位移两种场合进行测量.对该传感器的实测结果表明:该传感器测量范围为0～100 μm,测量灵敏度3.95 mV/μm,精度等级优于1%,重复性优于0.5%.为作为应用实例,运用该传感系统对一种微悬臂梁硅微谐振器件进行了测量,成功提取了硅微谐振器件的微弱谐振信号,证实了该传感器可以实现对硅微谐振器件的非接触和无损测量,并具有非接触、易调试、高灵敏度等优点.     

一种基于旋转调谐的超材料

数值仿真研究了一种可调谐的双开口谐振环(DSRR)超材料.在平行入射的电磁波激励下,这种DSRR单元可以在不同的频段分别表现出磁谐振和电谐振.当外加电场E与DSRR的双开口平行时,DSRR受激励得到的磁谐振和电谐振强度最大.随着DSRR超材料沿外加磁场H方向顺时针旋转,其磁谐振和电谐振频率基本保持不变,但谐振强度均发生显著下降,同时对应透射相位的突变也逐渐降低.提出的超材料调谐方法只需要简单地旋转材料,而不需要改变原有超材料单元的结构或者增加额外的激励场,极大地简化了可调谐超材料的制备及应用,在电磁开关、相位调制等方面具有潜在的应用.同时,这种简单的方法有希望应用于更高频段的超材料调谐,可以有效地拓展太赫兹频段和光频段超材料的实际应用.     

基于液晶的U波段电控移相超材料

基于液晶材料(LC)的双折射特性提出了一种基于液晶材料的短十字型阵列电控超材料,超材料包括了上层石英板,金属结构阵,中间液晶介质层,金属地板以及下层石英板。相比于传统的阵列天线设计,运用了新的相位补偿方法,即通过加电改变反射阵列单元的介质基板液晶的介电常数得到的相位曲线实现0~250°的相位补偿,使得超材料实现在U波段的相位变化。仿真结果表明,通过将偏压从0增加到14 V,超材料在52 GHz时呈现250°的相移。此外,此超材料的谐振频率可从53.6 GHz连续可逆地转移到49.9 GHz。通过调节超材料液晶激励区域的介电常数即改变阵列单元的谐振特性,实现了相位补偿,为平面反射阵列天线的设计提供了一种新思路。     

基于三角谐振环的新型六边形谐振环金属线复合周期结构左手材料性质研究

通过实验及仿真研究了三角谐振环组合新型六边形谐振环金属线复合周期结构左手材料.仿真研究了以金属铜三角开口谐振环（SRRs）为基本单元的周期结构负磁导率材料,与闭口环（CSRRs）结果对比发现三角开口谐振环能产生很好的谐振效果即能产生负磁导率,并且多层单元仿真发现多个谐振环耦合能提高谐振频率并加宽谐振频段;设计、制作并实验和仿真研究了三角开口环为基本单元的六边形谐振环金属线复合周期结构左手材料,仿真结果在98GHz附近出现良好负折射效应,实验验证在93—108 GHz出现良好负折射效应,与仿真结果具有良好的一致性.该研究对新型周期结构左手材料的研究、设计和研制具有重要的科学意义和应用前景. 关键词： 左手材料 三角环组成的六边形谐振环 负折射     

基于多阶等离激元谐振的超薄多频带超材料吸波体

本文设计了一种超薄螺旋结构超材料吸波体,其厚度(1.034 mm)约为其工作波长(4.81 GHz,6.59 GHz,9.16 GHz,12.69 GHz和13.71 GHz)的(1/60,1/44,1/32,1/23,1/21).仿真和实验结果表明,该吸波体在4.81 GHz,6.59 GHz,9.16 GHz,12.69 GHz和13.71 GHz处吸收率分别达到94.55%、99.89%、99.73%、99.26%和99.41%,实现了多频带强吸收.从表面电流和功率损耗密度两个方面分析了产生强吸收的原因,理论分析表明,多频带强吸收能在五个相邻频率处产生多阶局域表面等离激元谐振,螺旋结构之间强烈的电谐振使超材料结构单元产生强烈的吸收.该超材料吸波体设计简单、易于制作和应用,在电磁波吸收中具有应用价值.     

基于柔性铰链的光纤光栅二维加速度 传感器的优化设计

为实现对待测表面两个方向的振动监测,基于圆形柔性铰链设计了一种布拉格光栅双向加速度传感器.首先,推导出该传感器的谐振频率及灵敏度的理论公式,然后基于圆形铰链刚度的理论公式,推导并验证了铰链的刚度经验公式.通过MATLAB对传感器的数学模型进行优化设计,得到在满足工作要求时,传感器灵敏度达到最大时的尺寸参数.激振实验结果表明,该传感器的谐振频率约为368Hz,灵敏度约为107.3pm/g,横向抗干扰度为4.8%,谐振频率和灵敏度理论值与实际值的误差分别为-4.2%和7.0%.     

基于太赫兹超材料的微流体折射率传感器

太赫兹生物医学是目前光谱研究领域的热点,其主要难点在于如何有效避免水分的干扰,进行液相环境下样本的灵敏分析与检测。超材料太赫兹传感器由于具有高灵敏、快速检测、痕量分析等优势,而成为太赫兹生物医学传感领域的重要研究方法。设计加工了一种基于单开口谐振环超材料的太赫兹液相传感芯片,为了有效克服水对太赫兹波的强烈吸收,利用微纳加工技术刻蚀深度为50 μm的流体通道。传感芯片整合了超材料基底与PDMS流道,在THz频段有两个位于0.771和2.129 THz的谐振峰。以水、无水乙醇作为常见化学溶剂进行传感实验,相对于空白传感器本身的THz时域谱而言,液体的加入导致时域峰的相位延迟和幅度减小。同时,由于水的折射率大于乙醇,THz透射频谱结果显示为水的频移改变量大于乙醇,且峰2大于等于峰1。上述结果表明,构建的超材料液相传感芯片是一个灵敏的折射率传感器,也证明了该传感器在测量液态样品方面的可行性。此外,利用该芯片研究了不同浓度的PBS溶液,发现水溶液中加入离子会导致谐振频率红移（以水为参考）,随着离子浓度增加,谐振频率改变量依次增加,10X PBS红移量最大,峰1为22.9 GHz,峰2为30.5 GHz。比较两个谐振峰的传感性能,峰2的传感能力更好,但是峰1对低浓度的离子溶液更加敏感。因此,构建的微流体传感器及检测体系作为一个灵敏的折射率传感器,可开发一个灵敏的无标记THz传感平台,为太赫兹生物医学研究提供新思路。     

基于不规则U型结构的高灵敏度太赫兹微流传感器

设计了一种基于不规则U型结构的高灵敏度太赫兹微流传感器,通过仿真软件研究了传感器金属结构中金属线的长度、宽度与夹角对品质因数与吸收率的影响,以及微流通道高度与盖层厚度对传感器性能的影响,最后仿真计算了传感器对不同质量分数葡萄糖溶液的检测性能.结果 表明:传感器的最佳结构参数为L1=84 μm、L2=82μm、L3 =52μm、W=5μm、θ=60°,相应的传感器品质因数可达24,灵敏度可达313 GHz/RIU.这种具有高品质因数与高灵敏度的超材料传感器在无标记微量物质检测方面具有较高的应用价值.