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.     

太赫兹波在亚波长随机金属Al颗粒中的相干传播

本文报道亚波长特征尺寸的随机金属颗粒体系由于表面等离子体效应,在太赫兹（THz）电磁波段出现的异常透射现象.通过THz时域光谱实验测量,发现THz波的透射强度不仅随着金属颗粒体系的厚度减小,而且当颗粒体系的横向尺寸大于THz光斑时,透射强度会随着体系横向尺寸的增大而减小,并伴随着透射时间的延迟.同时发现,入射THz电磁场在导电粒子体系中激发的表面等离子波主要沿着体系的边界传播. 关键词： 太赫兹电磁波 金属颗粒 表面等离子体     

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.     

太赫兹亚波长人工结构传感应用

近年来,太赫兹科学技术在快速发展,它在毒品、爆炸物、有毒危险品等安全检查及反恐怖方面展现出独特的应用前景。常用的自由空间太赫兹时域光谱技术,尽管具有很多优越性和良好的应用前景,但影响其性能提高和进一步推广应用的一些实际问题仍然存在,如对光斑尺寸和样品体积、质量要求等。近年来,随着亚波长人工结构(包括超材料和表面等离子激元器件)的出现,为该问题的解决提供了新的契机。文章综述了作者在太赫兹亚波长人工结构器件传感应用所开展的一系列研究工作,其中包括薄膜材料传感、不同标号汽油传感以及同位素传感等,显著地提高了被测物质的探测灵敏度,同时降低了对被测物质的体积、质量要求,实现了高灵敏、微量物质传感,为太赫兹安全检查及反恐怖应用提供了技术借鉴。此外,文章还介绍了太赫兹亚波长人工结构传感器件未来的发展前景和面临的挑战。     

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．     

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。     

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。     

亚波长孔阵列的太赫兹波异常透射研究

利用太赫兹时域光谱（THz-TDS）系统,在5—300 K温区下测量了在厚度约200 nm的金属Nb薄膜刻蚀的亚波长圆孔阵列的异常THz波透射情况.实验结果表明,在03—2 THz波段,具有亚波长孔阵结构的金属Nb薄膜的异常透射现象波谱的峰位置与CST（computer simulation technology）软件仿真模拟的结果一致,峰值随温度降低有逐渐增强的趋势. 关键词： 亚波长孔阵列 THz时域光谱技术 异常透射     

亚波长分形结构太赫兹透射增强的机理研究

利用太赫兹时域光谱(terahertz time domain spectroscopy,简称THz-TDS),研究了亚波长金属分形结构在THz波段的透射增强特性.分别从实验和理论两个方面,研究了铜箔上各级分形结构THz透射增强现象的产生机理.结果表明,在低频区的透射增强主要是由低级分形线中电子运动的共振引起的,而高频区的透射增强则主要由高级分形线中电子运动的共振引起的.从而将这种透射增强效应归结为分形结构中电子的共振辐射,即分形结构的局域共振效应. 关键词： 分形 太赫兹 透射 共振峰     

亚波长金属光栅的表面等离子体激元共振特性

亚波长金属光栅在共振波长处有光场局域增强、异常透射等现象,为深入认识其共振机制,本文研究了亚波长金属光栅的表面等离子体激元（SPP）共振特性。通过研究不同金属光栅的几何结构以及金属介电常数对SPP共振波长的影响,获得了3种共振波长的基本物理机制。采用周期边界元法进行数值模拟,在边界积分方程的基础上结合平面波展开方法来处理任意形状的周期性结构。模拟结果表明,3种共振波长可以分别由金属的材料、金属光栅周期和金属光栅厚度所调谐。该研究为微纳米光学器件的设计提供了依据。     

太赫兹波段表面等离子体波传播距离的调控

设计刻槽深度渐变的金属光栅,利用截止频率控制太赫兹表面波的传播距离.金属光栅刻槽深度在60μm时的截止频率为0.6THz,120μm时的截止频率为1.1THz.同时根据半导体材料InSb在太赫兹波段的色散特性、载流子浓度和迁移率的经验公式、光栅结构的等效介质理论设计了温控的半导体光栅.在270~300K温度范围内,半导体光栅中表面波的传播距离和温度成正比,300K时传播距离为270K时的2~3倍.     

Investigation on Transmission Properties of Terahertz Wave Through Semiconductor Aperture

The transmission properties of terahertz （THz） wave passing through semiconductor aperture have been investigated. The dispersion relationship for surface plasmon polariton （SPP） at different temperatures has been numerically calculated. The results show that the dispersion relationship increases with the increasing of frequency and the decreasing of temperature, the thickness of slab has to be taken into consideration because of the large skin depth for semiconductor slab. In addition, the propagation constant increases with the increasing of frequency and the decreasing of temperature.     

二维透射式Terahertz波时域谱成像研究

通过THz(Terahertz)波的相位信息和振幅信息来解析出样品某些可用于成像的参量;并且对THz波相位信息成像和振幅信息成像进行了比较.结果显示：当样品对THz波的吸收比较小时,利用THz波的相位信息进行成像比通过振幅信息进行成像质量要好一些;时域谱峰值位置的漂移会对相位信息成像产生较大的影响.实验中发现输出光谱中出现了劈裂现象,即由输入的单峰变成了双峰.分析表明,这一现象是由样品内部厚度或折射率突变导致的,该现象可用于THz波轮廓成像研究.     

两种亚波长金属波片的透射特性对比

综合等效介质理论和表面等离子激元(SPP)Bloch模型,对比分析了两种新的亚波长光栅结构:二维矩形金属光栅和二维椭圆柱金属光栅。利用时域有限差分(FDTD)算法,对比分析了两种结构的透射率及其相位延迟与入射光波长及偏振角变化的关系,尤其两种结构实现λ/4波片功能所对应的透射特性。仿真结果表明,当入射光偏振角为75°时,两种结构均可实现λ/4波片功能,此时二维矩形和椭圆柱金属光栅的透射率分别为0.77和0.67,表明二维矩形金属光栅比椭圆柱光栅具有更好的透射效果。对应550～800nm的入射波长,两种光栅在各自允许的入射偏振角范围内均表现了较为平坦的宽带透射特性。     

金属薄膜亚波长微结构的光束集束器件设计

利用时域有限差分方法,模拟了P偏振光高斯光束入射到金属银亚波长细缝与光栅结构的透射情况.由于表面等离子激元波的影响,对称光栅结构透射光呈现对称出射,而非对称结构可以实现小角度定方向的光束集束现象.借助公式推导法及Helmholtz互易定理,可设计出平行入射P偏振光的光束集束器件.由于高斯光束本身的发散性及近场分布的需要,针对高斯光束的器件在结构参量上缩小了12%.在对其他结构参量的优化的基础上,实现了针对633 nm高斯光束的对称出射及光束集束器件的设计.     

介质填充浅槽周期结构表面上的太赫兹表面等离子体激元

通过在金属表面刻成浅的垂直凹槽,并在槽内填充不同的介质,对金属表面浅槽周期结构上传播的表面等离子体激元的色散特性与填充介质的关系进行了研究.研究表明通过在周期凹槽内填充介质可以有效降低人工表面等离子体激元的渐近频率,并增强金属表面对电磁场的约束.分析了太赫兹波段金属的吸收损耗对人工表面等离子体激元特性的影响,结果显示基于填充介质的浅槽周期表面结构可以获得长距离传输以及场的亚波长约束.通过对波传输的数值仿真,验证了该表面结构在太赫兹波段良好的导波能力.这种表面结构对太赫兹波段新型集成导波器件的设计具有参考价值.     

介质填充浅槽周期结构表面上的太赫兹表面等离子体激元

通过在金属表面刻成浅的垂直凹槽,并在槽内填充不同的介质,对金属表面浅槽周期结构上传播的表面等离子体激元的色散特性与填充介质的关系进行了研究.研究表明通过在周期凹槽内填充介质可以有效降低人工表面等离子体激元的渐近频率,并增强金属表面对电磁场的约束.分析了太赫兹波段金属的吸收损耗对人工表面等离子体激元特性的影响,结果显示基于填充介质的浅槽周期表面结构可以获得长距离传输以及场的亚波长约束.通过对波传输的数值仿真,验证了该表面结构在太赫兹波段良好的导波能力.这种表面结构对太赫兹波段新型集成导波器件的设计具有参考价值.     

Localized surface plasmons-based transmission enhancement of terahertz radiation through metal aperture arrays

The extraordinary transmission spectrum of a copper film pierced by a periodic array of subwavelength rectangular holes is measured by the terahertz time-domain spectroscopy. The transmission coefficient is strongly dependent on the angle between the polarization of terahertz electric field and the latitudinal direction of the periodic apertures. When the angle increases from 0^o to 90^o, a peak becomes stronger and another peak reduces. The transmission is proposed to be the contributions of localized surface plasmons inside the apertures. The finite-difference-time-domain (FDTD) simulation results are in good agreement with experimental observations.     

介质/金属结构太赫兹空芯光纤的传输特性

理论分析了金属、介质/金属结构空芯光纤在THz波段的模式结构和传输特性.金属空芯光纤支持TE11模式,介质/金属空芯光纤的介质膜厚在取最优值时支持HE11模式.对于波长为200μm的太赫兹波,内径为1 mm的两种空芯光纤,TE11和HE11模式的损耗分别为8.4 dB/m和2 dB/m.为优化介质/金属结构宅芯光纤的传输性能,分析了金属和介质材料的光学常数对衰减系数的影响.基于几种已发表的金属在太赫兹波段的光学常数,计算结果表明铝是最好的选择;初步测量结果显示,在各种树脂材料中聚乙烯在THz波段吸收较小,并且其折射率接近介质膜的最优值1.41,为太赫兹波空芯光纤中介质膜材料的理想选择.