基于VO2的太赫兹各向异性编码超表面

设计了一种3层结构的太赫兹编码超表面,其顶部是嵌入VO₂的金属十字架结构,中间是聚酰亚胺,底部为纯金属.利用该编码超表面的各向异性特点,可以实现对正交极化波(x极化波和y极化波)的独立调控;通过在编码超表面中引入VO₂材料,改变其相变状态,可进一步增加调控的灵活性.对设计的超表面进行建模仿真和分析,结果表明:对于垂直入射的1 THz正交极化波, VO₂处于绝缘态时,设计的超表面可视为2 bit的各向异性编码超表面,产生模式为1和2的涡旋波; VO₂处于金属态时,设计的超表面可视为1 bit的各向异性编码超表面,产生对称的2束反射波和4束反射波.所提出的各向异性和相变材料结合的方法,实现了同一超表面上产生多种不同形式太赫兹波束的功能,一定程度上解决了超表面调控太赫兹波形式单一的问题,为实现能够灵活应用于多种场景的多功能编码超表面提供了参考.     

太赫兹多波束调控反射编码超表面

已报道的大多数编码超表面仅利用相位或幅度编码进行电磁波调控,限制了太赫兹波调控灵活性.本文提出了一种反射超表面单元,通过相位编码构造超表面,在圆极化波入射下获得反射波束分裂和偏转功能,实现对圆极化波束的灵活调控;同一超表面单元结构利用幅度编码构造超表面在线极化太赫兹波入射下,实现空间成像功能.通过相位编码和幅度编码结合构造超表面,提高了对太赫兹波操控的灵活性,该编码超表面构造思路可以为太赫兹器件设计提供一种全新思路.     

基于二氧化钒的太赫兹双频多功能编码超表面

提出了一种基于二氧化钒且工作频段可切换的太赫兹编码超表面.该编码超表面由金属-二氧化钒复合层、聚酰亚胺介质层、金属反射层构成,主要通过对顶层双裂环谐振器和十字结构的参数进行设计,获得其所需的性能;而二氧化钒材料的引入,巧妙地使其可工作于双频点,进而实现不同功能的切换.仿真结果表明:当二氧化钒处于绝缘态时,在f₁=0.34 THz的圆极化波垂直入射下,设计的编码超表面可以视为3-bit Pancharatnam-Berry相位编码超表面,通过对单元中双裂环谐振器设计卷积编码序列,使该编码超表面具有以特定角度出射拓扑荷数l=±1涡旋波束的功能;当二氧化钒处于金属态时,在f₂=0.74 THz的正交线极化波垂直入射下,设计的编码超表面可以视为2-bit各向异性编码超表面,通过对单元中十字结构分别设计随机编码序列和棋盘格编码序列,使该编码超表面具有雷达散射截面缩减和波束分束的功能.其可为太赫兹电磁超材料多功能器件的设计提供一定的参考.     

线极化与圆极化波均可吸收的太赫兹超表面

利用VO₂嵌入超表面设计了一种实现不同频率,且线极化和圆极化两种模式入射下均产生高效率吸收的太赫兹超表面.当VO₂为绝缘态时,设计的超表面对圆极化波的旋向产生选择性吸收,在1.30 THz处对左旋圆极化波产生的吸收率大于95%,对右旋圆极化波不吸收,圆二色性为0.85.当VO₂为金属态时,在1.95 THz处,该超表面对TE线极化入射波吸收率达到98.5%.结果表明,在线极化和圆极化波入射下,所设计的超表面结构具有良好的广角吸收性能.由于它具有形态简单、易于加工等特点,在太赫兹波传感、成像和通信领域具有广阔的应用前景.     

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.     

电磁编码超材料的理论与应用

本文系统地对编码超材料、数字超材料及现场可编程超材料的新进展进行了综述,讨论其对电磁波的实时调控和构造多功能器件的能力。首先,引入1-bit编码超材料,由"0"和"1"两种编码单元构成,分别对应于相位相反的电磁响应。通过控制不同的"0"和"1"编码序列,可以调控电磁波,并实现不同功能。这种1-bit编码超材料可以扩展到2-bit,甚至更高比特。其次,介绍了一种由开关二极管来控制的数字编码超材料,每个编码单元可通过二极管的开和关来获得不同的相位响应,进而获得不同的数字态。结合现场可编程门阵列(FPGA)控制系统,实现了对数字超材料的实时可编程设计,构造出现场可编程超材料。最后,研究了编码超材料对太赫兹波的调控,包括太赫兹波宽带漫散射及其对目标雷达散射截面(RCS)的缩减、各向异性编码超材料对太赫兹波的极化调控和波束调控等。数值仿真和实验测试结果吻合很好,验证了编码超材料的出色性能,展示了编码超材料调控电磁波的多功能性。编码超材料对微波及太赫兹波的实时控制可用于制作波束分离、波束偏折、极化转换等功能器件,也可在宽带范围内有效缩减目标RCS。     

非线性光学超构表面：基础与应用

光学超构表面是一种由亚波长尺度的超构单元在面内排布而构成的准二维人工结构材料。研究人员可以通过选择超构单元的材料组成、几何形状对光的振幅、偏振、相位和频率等光场自由度进行灵活调控。聚焦于超构表面在非线性光场调控领域的原理与应用。首先,概述了非线性晶体到非线性超构表面的发展历程。然后,讨论了对称性和几何相位在非线性光学超构表面中的重要作用。最后,介绍了非线性光学超构表面在波前调控、量子信息处理和太赫兹波的产生与调控等领域中的应用。     

可切换频段的太赫兹编码超表面

依据Pancharatnam-Berry(PB)相位原理提出了一种可切换频段的太赫兹编码超表面,其顶层是金属-二氧化钒（VO2）复合结构层,中间是聚酰亚胺介质层,底部为纯金属反射层。编码超表面单元按不同的编码序列排列构成的编码超表面,可以产生多种太赫兹波束形式,并且随着VO2的相变,可以在不改变原波束形式的情况下实现从单频段到双频段的切换功能。通过设计不同的编码序列,令编码超表面分别产生了涡旋波和散射波,对于垂直入射的右旋圆极化波（左旋圆极化波类似）：当VO2处于绝缘态时,在频段1.17～1.37 THz处可以产生与编码序列所对应的波束形式;当VO2相变为金属态时,在0.87～0.92 THz和1.4～1.6 THz两个不同频段处分别获得与VO2处于绝缘态时相同的波束形式,进一步拓宽波束产生的频段。所提出的编码超表面利用了VO2的相变特性增加了太赫兹工作的频段,为实现频段可切换的太赫兹编码超表面提供了思路,在太赫兹波束调控中的调频方面有一定参考意义。     

飞秒激光泵浦LaAlO3/SrTiO3异质结产生太赫兹波辐射

自铁磁金属在飞秒激光泵浦下的超快退磁效应发现以来,电子的自旋属性逐渐被应用于太赫兹电磁波的产生.利用逆Rashba-Edelstein效应产生太赫兹辐射首先在Ag/Bi界面得到证实,而LaAlO₃/SrTiO₃界面通过该效应产生直流的自旋-电荷转换效率要高于Ag/Bi界面约一个数量级,但利用该结构转化自旋流来产生太赫兹的有效性尚待系统的研究.本文制备了NiFe/LaAlO₃//SrTiO₃(001)系列样品,在飞秒激光泵浦下观察到了太赫兹辐射的产生及其对磁场方向的依赖效应,并通过改变LaAlO₃层的厚度验证了超扩散模型与光学传输模型的有效性,观察到了在LaAlO₃/SrTiO₃界面由于多次反射导致太赫兹波的减弱,为进一步优化太赫兹波的产生提供了实验和理论支持.     

相变材料与超表面复合结构太赫兹移相器

利用相变材料嵌入超表面组成复合结构实现太赫兹移相器,该器件自上而下依次为二氧化钒嵌入金属层、液晶、二氧化钒嵌入金属层、二氧化硅层.通过二氧化钒的相变特性和液晶的双折率特性同时作用实现对器件相位调控.随着外加温度变化二氧化钒电导率发生改变,器件的相位随之产生移动,同样的对液晶层施加不同的电压导致液晶折射率发生变化,器件相位也会有影响.经过这两种介质共同作用,最终实现对太赫兹波相位有效调控.仿真结果验证了该相移器在频率f=0.736 THz时,太赫兹移相器的最大相移量达到355.37°,在0.731—0.752 THz(带宽为22 GHz)频率范围相移量超过350°.这种基于相变材料与超表面复合结构为灵活调控太赫兹波提供了一种新思路,将在太赫兹成像、通信等领域有着广泛的应用前景.     

基于透射型几何相位编码超表面的太赫兹波束自由操控

为了实现太赫兹波束的自由操控,基于Pancharatnam-Berry几何相位理论,提出一种多层C型单元结构,实现在目标频率下0到2π的太赫兹波透射传输相位调控.基于广义斯涅耳定律,构建2-bit和3-bit编码超表面,在圆偏振入射条件下,实现透射型太赫兹波束的散射角度调控.采用数字信号处理理论中的傅里叶卷积运算,对不...     

电解质溶液的太赫兹透射特性研究

许多生物大分子的振动和转动能级都在太赫兹波段,且太赫兹波具有光子能量低,峰值功率高的特点,因此用太赫兹技术进行检测,能够从很大程度上保证生物分子不被破坏。然而,大部分的生物分子只有在水溶液中才能保持其生物活性,且水是极性分子,对太赫兹波有强烈的吸收,因此使用常规的太赫兹技术检测水溶液中生物样品的特性存在一定困难。设计了一种具有夹层结构的太赫兹微流控芯片,包含基片、盖片和微通道层,基片和盖片用环烯烃共聚物(COC)和有机玻璃(PMMA)作为材料。COC材料对太赫兹波具有高透性,并且对可见光透明,是制作太赫兹微流控芯片的理想材料,但是价格昂贵且不易获得。为了减少COC的用量,将COC嵌入到基片和盖片的PMMA中,保证太赫兹波能从COC中穿过。COC的直径为5 mm,厚度与PMMA材料一致,都为2 mm,与微通道中心对准。选用厚度为50 μm的强粘性双面胶作为微通道层,将双面胶的中心进行镂空处理作为微通道,其长为3 cm,宽为4 mm。基片、盖片和微通道层紧密粘合在一起构成太赫兹微流控芯片,太赫兹探测区直径为4 mm。将微流控技术与太赫兹技术相结合,减少了样品的消耗量,缩短了太赫兹波与样品的作用距离,为液态样品的检测提供了可能。研究发现,水对太赫兹波的强烈吸收主要是由于水中氢键引起的,而电解质溶液会对水溶液中的氢键产生影响。以电解质溶液为研究对象,分别配置了不同浓度的KCl,K₂SO₄,CuCl₂和CuSO₄溶液,利用太赫兹微流控技术研究了它们的太赫兹透射谱。结果表明：四种电解质溶液的太赫兹透射强度都低于纯去离子水的透射强度,但实验现象也有差别,CuCl₂溶液随浓度增加,太赫兹透射强度增加,而KCl,K₂SO₄和CuSO₄溶液则随着浓度的增加,太赫兹透射强度减小。     

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     

基于空间编码结构光源的2 bit光控可编程太赫兹超表面

设计了一种可由空间编码结构光控制的多功能太赫兹超表面单元，该单元由嵌有光敏半导体材料的金属裂环-二氧化硅介质层-金属底板组成。超表面单元通过结构光源的编码控制光改变单元顶层金属裂环内嵌光敏半导体的电导率来模拟不同形状的C形环，实现了具有2 bit相位编码的光控超表面单元设计。将超表面单元组成阵列，通过编码结构光的空间分布进一步实现了角度可控的异常反射，并获得不同阶数的涡旋波束。所提出的基于空间编码结构光源的新型太赫兹超表面光控方式解决了现有光控超表面功能单一、加工难度大等问题，为光控可编程太赫兹超表面技术发展提供了新的思路。     

太赫兹波段电磁超材料吸波器折射率传感特性

太赫兹超材料吸波器作为一类重要的超材料功能器件,除了可以实现对入射太赫兹波的完美吸收外,还可以作为折射率传感器实现对周围环境信息变化的捕捉与监测.通常从优化表面金属谐振单元结构和改变介质层材料和形态两个方面出发,改善太赫兹超材料吸波器的传感特性.为深入研究中间介质层对太赫兹超材料吸波器传感特性的影响,本文基于金属开口谐...     

基于超表面的多波束多模态太赫兹涡旋波产生

太赫兹涡旋波束可以被用于高速通信及高分辨率成像,其产生方式近年来受到了越来越多的关注.本文提出了一种反射型超表面,它可以在太赫兹频段产生四种不同模态的涡旋波束.超表面单元结构基于几何相位原理,由三层结构组成,上下两层为金属结构,中间层为介质,其上层金属结构由圆环及椭圆贴片构成.利用几何相位对圆极化波的调控作用,可以实现由线极化波到圆极化波的分解,并实现对不同圆极化波的灵活调控.为了同时调控反射波的偏转方向,本文利用平面反射阵列原理来计算每个超表面单元所需的相位补偿.通过相位叠加原理,在不同传播方向的波束中叠加不同模态的轨道角动量,较好地实现了太赫兹频段复杂波束的调控效果.仿真及测试结果表明设计的超表面能够在太赫兹频段产生带有±1和±2模态的4个波束,在无线通信及高分辨率成像等方面有潜在应用价值.     

基于纳米印刷技术的双螺旋太赫兹可调超表面

由人工构造超表面所制成的电磁器件能够实现太赫兹频段的滤波、调控、传感、探测等功能,对太赫兹波在通信、成像领域的应用至关重要.基于纳米印刷技术设计制备了一种柔性透明双螺旋超表面,并利用该超表面构建了一款太赫兹旋转可调滤波器,通过旋转超表面实现太赫兹波透射率的有规律调谐.在旋转90°后,0.52 THz处的透射率由8%增至67%,而0.92 THz处的透射率由68%降至3%,实现调制深度大于88%的主动调控.并且,所提出的纳米印刷超表面具有超薄、柔性、可见光透明的优良性质,有利于太赫兹可调器件的小型化、轻量化及大面积制备.     

非线性光学超构表面

非线性光学超构表面是一类由空间变化的超构功能基元组成的超薄非线性光学器件.通过合理选择超构功能基元的材料组成、空间对称性,人们可以在亚波长尺度上对超构表面上产生的非线性光波的偏振、相位、振幅等自由度进行多维度光场调控.文章介绍了在非线性光学超构表面上实现谐波、四波混频、太赫兹波辐射的设计与原理,并讨论了如何在非线性光学...     

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.     

烷烃混合气体的太赫兹光谱分析

太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)是近十多年发展起来的一种新的远红外光谱技术,在气体研究方面有了一定进展,尤其是对极性气体,而对非极性气体研究较少。本文以干馏气、天然气以及各种沼气的主要成分CH₄, C₂H₆和C₃H₈气体(非极性气体)为研究对象,首先对CH₄,C₂H₆和C₃H₈三种纯气进行测量,利用THz-TDS技术得到其太赫兹频域谱和相位谱,然后将其以不同比例、不同种类混合成二元气体,进一步研究混合气体的频域谱和相位谱。实验结果表明CH₄,C₂H₆对太赫兹波的吸收很小而C₃H₈对太赫兹波有一定的吸收,这与C₃H₈极性增强的物理特性相符合。为了实现对烷烃混合气体的压强和各成分浓度的定量分析,本文利用BP人工神经网络法对上述二元混合体系的太赫兹频域谱进行分析,对训练集和预测集分别计算了混合气体的压强和各成分浓度的预测值与实际值的相关系数,训练集和预测集的相关系数取值分别为0.994～0.999和0.981～0.993。研究表明,利用太赫兹时域光谱技术结合BP人工神经网络数学方法可以实现对烷烃混合气体的压强和各成分浓度的定量分析,使THz-TDS技术在气体领域研究范围更加广阔。