基于超材料复合结构的太赫兹液晶移相器

为了解决现存太赫兹移相器的损耗较大且不可控、相移量较小的问题,本文设计了一种简易超材料复合结构实现的太赫兹移相器.该器件由4层结构组成,自上而下依次为L型金属谐振层、液晶层、弓型金属层、石英基底层.通过在上、下金属层施加偏置电压,改变液晶盒内液晶分子指向矢的偏转角α,从而改变液晶的有效折射率,器件的相位也随之发生变化,进而实现动态调控相位的目的.仿真结果表明:设计的太赫兹液晶移相器在1.68—1.78 THz间透射率可达0.968,插入损耗低至0.3 dB;当频率为1.7396 THz时,其最大相移为352.625°,在1.7315—1.7396 THz (带宽为8.1 GHz)频率内相移量超过352°.这种简易超材料多层结构为调控太赫兹波提供了一种新方法,在太赫兹成像、传感等领域有广泛的应用前景.     

光栅-液晶复合结构太赫兹移相器

随着太赫兹技术及其应用的快速发展,各类太赫兹控制器件需求也随之增加,作为太赫兹系统重要器件之一,太赫兹波移相器成为当前研究热点.已有移相器存在着尺寸较大、结构复杂、相移量较小等问题,为克服上述缺陷,提出一种光栅-液晶复合结构太赫兹移相器,该器件结构为石英、石墨烯、液晶盒、光栅结构、石墨烯和石英组成.通过改变石墨烯电极上...     

基于相变材料的慢光和吸收可切换多功能太赫兹超材料

基于相变材料Ge₂Sb₂Te₅(GST)设计了一种太赫兹超材料,在太赫兹波段实现了慢光和吸收功能的切换.该超材料由三部分构成,分别是金环构成的微结构层、SiO₂介质层和GST薄膜.研究结果表明:当GST薄膜处于绝缘态时,由于两个谐振环的电磁诱导透明效应,入射THz光脉冲通过该THz超材料时群速度会减慢,最大群延迟可以达到3.6 ps;当GST薄膜转变为金属态时, THz超材料可实现双波段吸收,在0.365 THz处吸收率可以达到97%,在0.609 THz处吸收率可以实现完美吸收(吸收率100%).另外还研究了该THz超材料的入射光偏振不敏感特性,发现当入射光脉冲的偏振角从0°变化到90°时, THz超材料的慢光和吸收特性不受影响.所设计的THz超材料在光缓存器、光传感器、光开关等领域具有潜在的应用价值.     

可调太赫兹与光学超材料

本文对可调太赫兹与光学超材料的研究进展进行了综述,并对其发展趋势和应用前景进行了展望。可以预见,可调超材料将继续成为超材料研究中的热点课题,并将成为引领光学器件和光学系统变革的潜在技术途径,对光学和太赫兹技术的发展将产生深远的影响。     

基于相变材料超表面的光学调控

超表面光学完美结合了传统的几何、物理光学理论和前沿的纳米技术,近年来引起科研工作者的广泛关注.在线性光学领域,它已广泛用于对光波的振幅、相位进行调控,如平面透镜、全息成像和热辐射器件等.在非线性光学领域,针对它在高次谐波生成、超快激光器等方面的研究工作也方兴未艾.本文分别从理论和应用角度,分析总结了国内外超表面光学调控方向的研究进展,重点介绍了利用相变材料实现动态光学调控的前沿研究工作,并讨论了未来发展前景以及需要解决的难题.     

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VO2薄膜相变原理的温控太赫兹超材料调制器

利用二氧化钒薄膜绝缘相–金属相的相变特性, 提出了一种基于超材料的温控太赫兹调制器, 研究了相变超材料在太赫兹波段的传输特性和温控可调谐特性. 当入射太赫兹波为水平偏振或垂直偏振状态时, 器件的透过率谱线在1 THz附近呈现出两个独立的、中心频率分别为1.3 THz和1.7 THz、 带宽分别为0.2 THz和0.35 THz的 透射宽带. 当温度从40℃至80℃变化时, 两宽带的透过率发生明显的降低, 在二氧化钒的相变温度(68℃)时尤其灵敏, 对入射光的二种偏振状态, 调制深度均达到60%以上, 实现了良好的调制效果. 关键词： 太赫兹超材料 2薄膜')" href="#">VO₂薄膜 调制器 相变     

基于新型钙钛矿材料的光场调控太赫兹超表面仿真研究

为实现高效太赫兹调控,迫切需要一种高效且成本低的材料。新型钙钛矿材料由于其优异的光电特性,加上钙钛矿制备工艺简单、可大批量生产等优点,非常适合作为太赫兹超材料的活性材料,通过外部激励改变活性材料的属性,可灵活调控太赫兹波。因此,选择新型钙钛矿材料外加光场调控太赫兹,分析在光场作用前(绝缘态)和在光场作用后(金属态)两种状态对单元结构太赫兹宽波段下幅值和相位的影响。设计出光场灵活调控的钙钛矿基1 bit太赫兹编码超表面结构,该结构由有机无机杂化钙钛CH₃NH₃PbI₃(MAPbI₃)、聚酰亚胺和铝构成。通过CST仿真结果显示,该超表面结构在光场的调控下能够实现宽谱(0.1、1、2、6 THz)太赫兹波的180°相位差变化,经过超表面编码结构的设计,同一编码序列实现远场波束的变换。研究结果表明,基于光场操控钙钛矿材料的编码超表面为实现灵活的太赫兹波调控提供了新的思路,在太赫兹通信、安检、生物医学成像等方面具有巨大的应用潜力。     

基于二氧化钒的太赫兹编码超表面

由于受电子器件尺寸和加工技术的限制,在太赫兹波段很少有主动调控的编码超表面.为了提高太赫兹编码超表面的灵活性,本文选择相变材料二氧化钒进行主动调控.分析了二氧化钒相变前(绝缘态)和相变后(金属态)两种态对单元结构幅值和相位的影响,设计出一种能够主动调控的基于二氧化钒的1 bit太赫兹编码超表面,该结构由二氧化钒、聚酰亚胺和铝构成,不仅可以实现编码超表面调节电磁波波束的基本功能,而且对于同一编码序列还能通过温控二氧化钒在1.1 THz实现两种远场波束的切换,同样对于同一编码序列也能通过温控在1.1 THz实现两种近场聚焦焦点的切换.这种基于二氧化钒对相位的影响而设计的编码超表面为灵活调控太赫兹波提供一种新的途径,将在太赫兹传输、成像和通信等方面有着重大的应用前景.     

High-efficiency reflection phase tunable metasurface at near-infrared frequencies

The realization of active modulation of reflection phase based on metasurfaces is of great significance for flexible control of electromagnetic wavefront, which makes metasurfaces have practical application values in polarization conversion, beam steering, metalens, etc. In this paper, a reflection phase tunable gap-surface plasmon(GSP) metasurface based on phase change materials Ge_2Sb_2Te_5(GST) is designed and experimentally demonstrated. By virtue of the characteristics of large permittivities difference before and after GST phase transition and the existence of stable intermediate states, the continuous modulation of near-infrared reflection phase larger than 200°has been realized. At the same time, through the reasonable design of the structure sizes, the reflection has been maintained at about 0.4 and basically does not change with the GST phase transition, which improved the working efficiency of the metasurface significantly. In addition, the coupled-mode theory(CMT) is introduced to make a full analysis of the modulation mechanism of the reflection phase,which proves that the phase transition of GST can induce the transition of metasurface working state from overcoupling mode to critical coupling mode. The improvement of the metasurface working efficiency has practical values for wavefront modulation.     

太赫兹频率编码器

超表面是由亚波长单元组成控制电磁波的人工结构,研究发现通过对其进行编码排列可实现对电磁波能量的任意控制.本文利用四种形状相同、尺寸不同的人字形结构单元,结合其不同相位响应和不同的相位灵敏度设计了太赫兹频率编码器,通过进行特定编码,在频率改变的情况下,实现了对电磁波能量辐射调控.分别设计了1-bit, 2-bit周期和非周期太赫兹频率编码器,通过数值计算和仿真模拟验证了上述特性,而且该结构对太赫兹波辐射主瓣能量有很好的分散作用,可以有效减少雷达散射截面,雷达散射截面缩减在q=0,j=0方向上最大可达29 dB,在太赫兹波隐身中具有巨大应用价值.     

Characteristic Attributes of Multiple Cascaded Terahertz Metasurfaces with Magnetically Tunable Subwavelength Resonators

The characteristics of multiple cascaded metasurfaces comprising H‐shaped, magnetostatically controllable, subwavelength terahertz (THz) resonators made of InAs were systematically investigated, using a commercial solver based on the finite‐integration method, for the design of tunable filters. Three configurations of the biasing magnetostatic field were compared with each other as well as with the bias‐free configuration for filtering of normally incident linearly polarized plane waves. A close study of only one metasurface was found sufficient to broadly determine the sensitivity to the direction of the magnetostatic field and the bandwidth of a stopband. Furthermore, the effects of metasurface geometry and biasing field can be considered separately for initial design purposes. All features in the transmittance spectra for the bias‐free configuration that are related to the number of cascaded metasurfaces are also observed when the biasing magnetostatic field is applied. The coupling of adjacent metasurfaces in a cascade is strongly affected by the relative permittivity and the thickness of the spacer between the two metasurfaces. The spectral locations of stopbands scale with respect to the spacer's relative permittivity, the scaling rule being different from a classical one. The stopbands are redshifted when the spacer thickness is increased, with the redshift dependent on the polarization of the incident plane wave. Inter‐metasurface coupling and inter‐resonator coupling on the same metasurface affect the spectral location of a stopband in opposite ways. On‐off type switching can be obtained by changing the orientation of magnetostatic field. The elucidated characteristics are expected to be important for not only filters but also other tunable THz devices.     

微谐振环结构体内太赫兹增强效应

基于严格电磁场理论,给出了微型谐振环形和Fishnet结构体内太赫兹波的严格表达式,并利用电磁场的边界条件分析了太赫兹波在微型谐振环形和Fishnet结构体内空间分布的增强效应。数值模拟结果表明：谐振环金属条附近的电场大于磁场,金属条附近的电场相对其他区域明显要强得多,开口处表现更为突出,太赫兹波在Fishnet结构体内电磁场的峰位处电场和磁场分布关于x对称;电场的极值出现在大十字架的上下四个角,而磁场的极值则出现在小十字架的上下两端点。同时用电磁场传输线理论对该现象作出一定的物理解释。收稿日期:; 修订日期:     

基于相变与悬链线连续相位调控的超构光子开关

针对超表面相位调控中的无源及离散特性,本文拟将等宽悬链线超构单元与非易失性相变介质结合,探索研究一种高效连续相位调制的双稳态相变有源波前超构开关.首先在9—10μm之间的宽带中红外波段实现了可动态切换的波前偏转开关;当相变层在非晶态和晶态之间切换时,入射光波前分别呈现异常反射和正常的镜面反射,即"开"或"关"两个偏转状态.其次展示了一种可动态切换的高阶贝塞尔光束开关:非晶态时,9.6μm波长垂直入射下交叉极化转换效率接近100%,产生正常的几何相位调控与二阶贝塞尔聚焦,即"开"态;而相变至晶态时,交叉极化与几何相位调控被"关"闭.本质上,自旋-轨道相互作用具有无色散的相位调控保证了该类器件的宽波段工作特性,在未来的有源光电子集成、光通讯等应用领域中具有重大潜力.     

基于Rydberg原子天线的太赫兹测量

Rydberg原子在微波和太赫兹频段具有极大的电偶极矩,利用量子干涉效应可实现对该频段电磁波场强的高灵敏探测,理论上灵敏度可达到远高于现有探测技术的水平.基于Rydberg原子量子效应的电磁场探测及精密测量技术在太赫兹的场强和功率计量、太赫兹通信和太赫兹成像等方面有着巨大的应用前景.本文回顾了基于Rydberg原子量子干涉效应实现电磁波电场自校准和可溯源测量的基本理论和实验技术,详细介绍了基于Rydberg原子的高灵敏太赫兹场强测量、太赫兹近场高速成像和太赫兹数字通信的基本原理和技术方案.最后简单介绍了本研究团队正在开展的基于Rydberg原子的太赫兹探测工作.     

利用LiNbO3晶体的拉曼散射获得太赫兹辐射的研究

对利用LiNbO3晶体拉曼活性的E对称模(ωTO=236 cm-1≈7.08 THz)产生太赫兹辐射进行了研究, 采用输出波长为1.064 μm 的Nd:YAG脉冲激光器作为泵浦源, 根据光学参量振荡的基本原理, 推导计算了非共线第二类相位匹配条件下的晶体长度、有效非线性系数、相位匹配角等技术参量, 最后根据所计算的各技术参量设计了太赫兹光学参量振荡器(TPO)。     

太赫兹表面极化激元

作为束缚于表面或界面的电磁波与极性元激发的耦合模量子,表面极化激元是克服衍射极限的核心物理.在紫外、可见以及近红外波段,表面等离子极化激元展现出了亚波长特性,具有高分辨成像等应用,并发展成为"表面等离子极化激元亚波长光学"学科;在中红外波段,表面声子极化激元发挥着同样的作用.太赫兹波段曾是人类认识的空白区域,近三十年来得以高速发展,其战略意义重大.具有克服衍射极限能力的太赫兹表面极化激元同样是小型化与集成化太赫兹器件,以及太赫兹超高分辨成像的重要物理基础.近几年来,对以石墨烯为代表的二维材料的研究突飞猛进,诞生了"石墨烯表面等离子极化激元亚波长光学"这门学科,并贡献于太赫兹领域.本文对可在太赫兹波段工作的人工超构材料、掺杂半导体、二维电子气、二维材料、拓扑绝缘体等结构材料的表面极化激元进行了较为全面的总结与介绍,为研制克服衍射极限的太赫兹集成光子学器件提供可资借鉴的物理基础.     

相位连续变化型太赫兹波带片

通过对太赫兹波段相位连续变化型波带片的系统研究,分析了特征尺寸与焦距、F数、预设频率、材料折射率等设计参数之间的关系,讨论了影响相位连续变化型波带片效率的几个主要因素。选取太赫兹透过率较高的泡沫聚乙烯和高密度聚乙烯材料,提出了设计方案,对所设计的波带片沿光轴方向太赫兹波强度变化以及焦平面太赫兹波强度变化给出了计算机模拟结果,并给出一组不同频率的波带片的特征参数。     

Dynamic polarization rotation and vector field steering based on phase change metasurface

Polarization rotation and vector field steering of electromagnetic wave are of great significance in modern optical applications. However, conventional polarization devices are bulky, monofunctional and lack of tunability, which pose great challenges to the miniaturized and multifunctional applications. Herein, we propose a meta-device that is capable of multi-state polarization rotation and vector field steering based on phase change metasurface. The supercell of the meta-device consists of four Ge₂Sb₂Te₅ (GST) elliptic cylinders located on a SiO₂ substrate. By independently controlling the phase state (amorphous or crystalline) of each GST elliptic cylinder, the meta-device can rotate the polarization plane of the linearly polarized incident light to different angles that cover from 19.8° to 154.9° at a wavelength of 1550 nm. Furthermore, by merely altering the phase transition state of GST elliptic cylinders, we successfully demonstrated a vector field steering by generating optical vortices carrying orbital angular momentums (OAMs) with topological charges of 0, 1 and −1, respectively. The proposed method provides a new platform for investigating dynamically tunable optical devices and has potential applications in many fields such as optical communications and information processing.