多功能太赫兹超表面偏振控制器

本文提出了一种“金属栅-开口环/硅环-金属栅”结构的透射式超表面偏振控制器, 研究了入射角度和抽运光对该器件传输及偏振态控制性能的影响. 研究结果表明, 当线偏振太赫兹波垂直入射时, 可对0.39-1.11 THz频段的太赫兹波实现偏振方向90°旋转, 偏振旋转效率为99%, 损耗为1 dB. 对于斜入射的情况, 偏振转换性能在0-60°范围内基本保持不变, 且透过率达到90%以上. 同时, 通过调控抽运光强度的方式, 该器件能够实现对透射与反射太赫兹光束的强度调制, 调制深度均达到90%, 且可以实现太赫兹波偏振分束功能. 该器件可以作为未来太赫兹空间光通信和信息处理的宽带、角度不敏感、可调谐的偏振转换器和分束器.     

基于谐振环的太赫兹宽带偏振转换器件研究

提出了一个基于谐振环结构的宽带且高效的太赫兹线偏振转换器.该结构由金属-电介质-金属三层构成,位于顶层的是基于开口谐振环的超表面,中间为介质层,底部为金属板.实验结果表明,该结构可以在0.59-1.24 THz频率范围内将线偏振的太赫兹波偏振方向旋转90°,转换率超过80%.通过计算该结构在所研究的频率范围内反射光的偏振角和椭圆角,证实了该结构可以在较宽的频率范围内实现高效的线偏振转换.对该结构在偏振转换率高的频率下表面电流和电场进行仿真,分析了高偏振转换率和宽带的机理.同时,研究了该结构的偏振转换率对入射角以及偏振角的依赖性,结果表明该结构在0°-30°入射角范围内、-10°-10°偏振角范围内均有很好的偏振转换性能.     

局域表面等离子体谐振辅助的高效率宽频带可调谐偏振转换超表面

结合狄拉克半金属研究了一种基于各向异性构型的可调谐宽频带太赫兹偏振转换超表面,其中的狄拉克半金属线阵列有利于费米能的调控.研究结果表明,该超表面可以实现宽带高效率的偏振转换,在谐振模式处具有半波片特性.这种转换特性源于局域表面等离子体激元谐振的激发和结构自身的各向异性.当入射角在0°—40°范围内变化时,能保持高效的宽带偏振转换特性,大于40°后,宽带转换逐渐转变为双带或多带转换.此外,发现AlCuFe的费米能从65 meV增大至140 meV过程中,偏振转换效率能维持在很高水平,并且转换性能由单带转换变为宽带转换再变为带较宽的宽带转换与带较窄的单带转换.同时,通过讨论结合了不同类型狄拉克半金属的超表面,得出了狄拉克半金属的金属性越好,相应超表面的宽带偏振转换性能越优的结论.最后,基于类法布里-珀罗谐振腔的多重干涉理论对数值结果进行了验证.     

基于超材料的可调谐的太赫兹波宽频吸收器

随着频谱资源的日益稀缺,太赫兹波技术在近十几年的时间里得到了越来越多的关注,并取得了巨大的进展.由于高吸收、超薄厚度、频率选择性和设计灵活性等优势,超材料吸收器在太赫兹波段备受关注.本文设计了一种"T"型结构的超材料太赫兹吸收器,同时获得了太赫兹多频吸收器和太赫兹波宽频可调谐吸收器.它们结构参数一致,唯一的区别是在太赫兹波宽频可调谐吸收器的顶端超材料层上添加了一块方形光敏硅.这种吸收器都是三层结构,均由金属基板、匹配电介质层以及顶端超材料层组成.仿真结果表明,太赫兹波多频吸收器拥有6个吸收率超过90%的吸收峰,其平均吸收率高达96.34%.而太赫兹波宽频可调谐吸收器通过改变硅电导率,可以控制吸收频带的存在与否,同时可以调整吸收峰的频率位置,使吸收峰频率在一个频带宽度大约为30 GHz的范围内调整.当硅的电导率为1600 S/m时,吸收率超过90%的频带宽度达到240 GHz,而且其峰值吸收率达到99.998%.     

超宽谱透射式的太赫兹波正交偏振转换器

利用CST电磁场仿真软件模拟设计了基于开口谐振环-介质-光栅3层结构的超宽谱透射式的太赫兹波正交偏振转换器件,研究了各层透射系数谱以及结构参量对偏振转换的影响,通过计算结构电场和电流分布分析了器件的工作原理.模拟结果表明:设计的器件实现在0.5~2.7THz频谱内,将入射的y偏振太赫兹光转换成x偏振光,转换效率高达99%.由结构电场分布以及表面电流分布推出,入射的y偏振太赫兹光耦合到开口环上,形成振荡的电偶极子,并辐射出太赫兹波x偏振分量.底部光栅层的作用是透过x偏振分量,并将剩余的y偏振光反射回开口环层,并在开口环层和光栅层间形成法布里-珀罗反射进一步提高偏振转换效率.可通过优化介质层厚度、光栅宽度和阵列周期关键参量来优化器件的转换性能.     

基于石墨烯超材料的宽频带太赫兹吸收器

为了拓展太赫兹吸收器的相对吸收带宽,设计了一种基于石墨烯超材料的超薄、宽频带、可调谐的太赫兹吸收器,其由图案化石墨烯层、电介质层和金属反射底板层叠构成。仿真结果表明：该吸收器在4.48 THz频率处的吸收率为99.98%,通过调节石墨烯的化学势可使该频点处的吸收率变化至25.08%;同时,该吸收器表现出对入射波极化不敏感的吸收特性,且在太赫兹波倾斜入射的情况下仍能保持一定的宽频带吸收特性。在此基础上设计了基于三层图案化石墨烯的太赫兹吸收器,其可进一步拓展吸收频带宽度,仿真结果表明该吸收器在1.90～5.49 THz频率之间的吸收率高于90%,相对吸收带宽为97%。     

带宽可调谐的太赫兹超构材料半波片器件

基于二氧化钒(vanadium dioxide, VO₂)的相变原理,提出了一种“树叶型”复合超构材料,能够实现带宽可调谐的半波片功能。VO₂薄膜为绝缘态时,复合超构材料可以看作是空芯“树叶型”金属结构,能够实现双频带的半波片功能。在1.01～1.17 THz和1.47～1.95 THz频带范围内能够将y偏振光转换成x偏振光,偏振转换率大于0.9且平均相对带宽为26%。VO₂薄膜为金属态时,实芯“树叶型”金属结构的超构材料在1.13～2.80 THz范围内能够实现反射型的宽频带半波片功能,相对带宽为85%。利用瞬时表面电流分布和电场理论详细地分析了带宽可调谐半波片器件的工作原理。本文所提出的“树叶型”复合超构材料半波片器件在太赫兹成像、传感和偏振探测等领域具有潜在的应用前景。     

基于超宽带反射超表面产生太赫兹轨道角动量

由于轨道角动量（orbital angular momentum,OAM）有望成为新的通信复用自由度,在拓展信道容量、提高频谱资源利用率方面有巨大潜力而受到越来越多研究人员的关注。目前的太赫兹涡旋波产生器件存在只能工作在单频点、带宽窄、转换效率低等问题,如何在太赫兹频段高效产生OAM成为关键问题之一。该文设计了一种超宽带反射超表面单元,结合几何相位原理和相位叠加原理设计了单层反射超表面。仿真结果表明：设计的超表面实现了在0.82 THz～2.09 THz（相对带宽87.3%）的宽频范围内,将圆极化太赫兹波转换为携带轨道角动量的太赫兹涡旋波,同极化反射谱的幅度大于0.97,转换效率高于94.7%,反射相位覆盖0°～360°。利用傅里叶变换分解反射场中各个OAM模式,定量分析了OAM模式纯度,在不同频率下涡旋波中均为主模式l=-2能量占比最高,进一步对设计的超表面进行优化,主模式能量占比明显提升。该文设计的超表面具有转换效率高、工作带宽大、主模式强度高等优势,为宽带太赫兹涡旋波的高效产生提供了一种参考。     

基于MgO:SLN晶体的环形腔太赫兹参量振荡器

基于摩尔分数为1%的氧化镁掺杂的近化学计量比铌酸锂晶体,采用环形腔结构的浅表垂直出射方式组成太赫兹波参量振荡器。该振荡器的太赫兹波输出调谐范围为0.99～3.84 THz,频率调谐响应时间为600μs。当抽运能量为150.30 mJ、太赫兹频率为1.59 THz时,太赫兹脉冲的输出能量达到最大值,为16.28μJ,对应的能量转换效率为1.08×10~(-4)。在相同的实验条件下,该环形腔结构太赫兹波参量振荡器输出的最大太赫兹波能量是传统线形腔结构的2.35倍,实现了高能量、快速可调谐的太赫兹波输出。     

缺陷组合嵌入VO2薄膜结构的可调太赫兹吸收器

提出一种多缺陷组合嵌入VO2薄膜结构的可调太赫兹吸收器,它由上表面金属图案层、基体和底层金属板三层结构组成,在上表面和基体之间嵌入二氧化钒介质.计算结果表明在f=4.08 THz和f=4.33 THz两频点吸收率分别为99.8%和99.9%.通过改变外界环境温度可控制二氧化钒相变,从而使两个频点吸收率从99.8%变化到1.0%.改变入射角和偏振态,计算结果表明在入射角0°-40°,吸收器在TE和TM两种极化波下吸收率都能在98%以上.该太赫兹波吸收器具有高吸收、动态调谐、极化不敏感等特性,本文所设计的可调太赫兹吸收器在太赫兹波相关领域,例如探测器、开关、动态调制器、隐身技术等方面具有很好的应用前景.     

Switchable terahertz polarization converter based on VO2 metamaterial

A switchable terahertz (THz) polarization converter based on vanadium dioxide (VO₂) metamaterial is proposed. It is a 5-layer structure which containing metal split-ring-resonator (SRR), the first polyimide (PI) spacer, VO₂ film, the second PI spacer, and metal grating. It is an array structure and the period in x and y directions is 100 μm. The performance is simulated by using finite integration technology. The simulation results show that, when the VO₂ is in insulating state, the device is a transmission polarization converter. The cross-linear polarization conversion can be realized in a broadband of 0.70 THz, and the polarization conversion rate (PCR) is higher than 99%. Under thermal stimulus, the VO₂ changes from insulating state to metallic state, and the device is a reflective polarization converter. The linear-to-circular polarization conversion can be successfully realized in a broadband of 0.50 THz, and the PCR is higher than 88%.     

磷化镓高功率太赫兹共线差频源的研究

在众多实现太赫兹辐射的方法中, 非线性光学共线差频能够实现高功率、宽波段、连续可调谐的太赫兹波辐射. 理论分析表明, 各向同性磷化镓晶体, 在1064 nm附近波长激光共线差频下具有毫米量级的相干长度, 能够满足高功率宽波段的太赫兹辐射条件.实验证明, 磷化镓晶体共线差频实现高功率宽波段的太赫兹光辐射, 其太赫兹光波长调谐范围为95.9–773.4 μm (0.39–3.13 THz), 最高峰值功率7 W位于频率2.0 THz处.该实验结果与理论计算基本保持一致. 关键词： 太赫兹源 磷化镓 共线差频     

基于十字变形结构的高效超宽带线性极化转换超表面

提出了一种基于十字变形结构超表面的极化转换器,在反射模式下获得了高效超宽带的交叉极化反射.在8.4到20.7GHz频段内交叉极化反射率大于-0.2dB,而共极化反射率小于-12dB,在谐振频率点处交叉极化反射率大于-0.03dB,而共极化反射率达到-60dB,即在谐振点处几乎可实现完全的交叉极化转换;相对带宽达84.5%,交叉极化的平均转换效率为96.7%;此外,利用电路板刻蚀制备了此极化转换器样品,实验测试其交叉极化反射率在工作频段内大于-1dB,而共极化反射率小于-10dB,实验结果与模拟结果吻合,验证了此超表面可以在超宽的频带内实现线极化电磁波的交叉极化转换.本文设计的超宽带极化转换超表面具有转换效率高和几何结构简单的优点,可被扩展到太赫兹甚至是可见光频段.     

Tunable wide-angle multi-band mid-infrared linear-to-linear polarization converter based on a graphene metasurface

We present a high-efficiency tunable wide-angle multi-band reflective linear-to-linear (LTL) polarization converter, which is composed of an array of two L-shaped graphene patches with different sizes. In the mid-infrared region, the proposed converter can transform x-polarized wave into y-polarized wave at four resonant frequencies. The polarization conversion ratios of the four bands reach 94.4%, 92.7%, 99.3%, and 93.1%, respectively. By carefully choosing the geometric parameter, triple-band LTL polarization conversion can also be realized. The three polarization conversion ratios reach 91.50%, 99.20%, and 97.22%, respectively. The influence of incident angle on the performances of the LTL polarization converter is investigated, and it is found that our polarization converter shows the angle insensitivity. Also, the dynamically tunable properties of the proposed polarization converter are numerically studied by changing Fermi energy. All the simulation results are conducted by finite element method.     

An ultra-broadband and highly-efficient tunable terahertz polarization converter based on composite metamaterial

A near perfect, ultra-broadband and highly-efficient terahertz reflective polarization converter based on multilayer metamaterial is proposed in this paper. The hybrid metamaterial unit structure consists of a split-ring metal pattern and a metal sheet separated by a dielectric resonator spacer. The polarization conversion ratio (PCR) is above 90% from 2.06 to 4.26 THz, with an optimal range between 2.98 and 4.16 THz where the efficiency is above 98% for normal incidence. It also shows excellent performance for oblique incidences. Moreover, the working band and the optimized frequency range for the polarization conversion can be manipulated by changing the open angle between the metallic arcs and the substrate thickness, respectively. Based on this design, two types of hybrid metamaterial converters are also investigated to swith off polarization conversion altogether or modify the polarization conversion bandwidth. A polarization converter with temperature controlled PCR is realized by adding a vanadium oxide (VO₂) mask on the designed structure. In addition, by integrating photoconductive silicon islands between the split-ring and metal bar a dual-band polarization converter can be realized. Combining with a polarizer, this window can act as an active THz filter.     

Arbitrary linear THz wave polarization converter with cracked cross meta-surface

This Letter presents a double-layer structure combining a cracked cross meta-surface and grating surface to realize arbitrary incident linear terahertz(THz) wave polarization conversion. The arbitrary incident linear polarization THz wave will be induced with the same resonant modes in the unit cell, which results in polarization conversion insensitive to the linear polarization angle. Moreover, the zigzag-shaped resonant surface current leads to a strong magnetic resonance between the meta-surface and gratings, which enhances the conversion efficiency. The experimental results show that a more than 70% conversion rate can be achieved under arbitrary linear polarization within a wide frequency band. Moreover, around 0.89 THz nearly perfect polarization conversion is realized.     

差频可调谐太赫兹技术的新进展

太赫兹技术在最近30年来得到快速发展, 并在医学、生物、农业、材料、安检、通信、天文等领域得到广泛应用. 从太赫兹源的频谱特性可以分为窄带(单频)太赫兹源和宽带太赫兹源. 从频谱技术方面来说, 相干的宽带和窄带太赫兹谱是一种互补性关系, 具有各自的技术特点和应用范围. 宽带太赫兹谱可以用于快速获取较宽频谱范围的分子振转谱, 实现混合特征谱的快速检测或成像. 窄带太赫兹源具有很好的光谱灵敏度和分辨率, 适用于太赫兹抽运-探测、分子振转能级谱精细结构分辨 以及太赫兹远程探测和成像. 因此研制具有可调谐的高峰值功率的窄带太赫兹源是适用于探测和识别分子振转能级指纹谱的应用需求, 而差频技术是获得高功率和宽调谐窄带太赫兹源最重要的技术之一. 为了突出该技术的最新进展, 本综述引证论文仅仅限于近5 年来基于差频技术产生太赫兹波的研究进展, 分为光学激光差频源和量子级联激光器差频源两大部分. 对于光学激光差频源, 分别对目前文献报道的各种双波长差频源和太赫兹产生用的非线性晶体进行分类介绍, 并给出所采用的技术和实验结果; 对于量子级联激光器差频源, 分别介绍了量子级联激光器中的差频产生技术和波长调谐技术的最新进展. 量子级联激光器差频太赫兹源是目前实现量子级联激光器在太赫兹波段室温运转的惟一技术, 是实现小型化、窄带宽调谐和室温运转太赫兹源的新发展领域, 值得关注.     

Efficient, tunable, and coherent 0.18-5.27-THz source based on GaSe crystal

Continuously tunable and coherent radiation in the wide range 56.8-1618 mum (0.18-5.27 THz) has been achieved as a novel and promising terahertz source based on collinear phase-matched difference frequency generation in a GaSe crystal. This source has the advantages of high coherence, simplicity for tuning, simple alignment, and stable output. The peak output power for the terahertz radiation reaches 69.4 W at a wavelength of 196 mum (1.53 THz), which corresponds to a photon conversion efficiency of 3.3%. A simple optimization of the design can yield a compact terahertz source.     

Compact polarization rotators for integrated polarization diversity in InP-based waveguides

We present the design, fabrication, and operation of a polarization converter based on angled waveguides in the InP/InGaAsP material system. By combining design elements from mode evolution and birefringent devices, the total device length is kept short (less than 50 microm) and the insertion efficiency high at 81%+/-19%, which corresponds to an insertion loss of 1 dB. Devices operate broadband, i.e., the polarization conversion exceeds 15 dB over a 100 nm wavelength range. A polarization rotator with these specifications is a prime candidate for use in an integrated polarization diversity scheme.