基于石墨烯的太赫兹波散射可调谐超表面

设计了一个可调谐的太赫兹超表面,由在随机反射超表面基底中嵌入可偏置的双层石墨烯构成,可以实现对太赫兹波散射特性的动态调控.全波仿真试验结果证实了所预期的超表面散射可调性能.通过增大偏置电压提升石墨烯的费米能级,使得该超表面的太赫兹波散射样式从漫反射逐渐向镜面反射过渡,从而实现散射特性的连续调控,且该超表面具有对电磁波极化角度不敏感的特点.这些特性使得该超表面能很好地融合到变化的环境中,在太赫兹隐身方面具有潜在的应用价值.     

基于液晶的广角太赫兹可调谐超表面吸波器

提出了一种结构简单的广角稳定太赫兹可调谐超表面吸波器,利用液晶材料电可调谐的性质,实现超表面吸波器吸收频率的调谐。利用液晶材料介电常数张量进行材料建模,模拟了液晶材料的各向异性特性。为了提高设计效率,得到良好的吸波性能和可调谐性能,利用粒子群算法对超表面吸波器单元结构进行了逆向设计;并对设计的超表面吸波器特性进行研究。结果表明,利用粒子群算法可以高效地逆向设计出性能良好超表面吸波器,当对吸波器施加的电压在0～10 V范围内连续调谐时,实现了TE模式吸波频率在404.4～444.4 GHz范围内连续可调谐,频率可调谐性为9%,吸收率大于99%;TM模式吸波频率在404.4～425.4 GHz范围内连续可调谐,频率可调谐性为4.64%,吸收率大于99%;当斜入射角度为60°时,吸收率仍大于94%,具有大角度入射稳定性和吸收频率稳定性。本文设计的太赫兹超表面吸波器具备高吸收率、大频率可调谐性、广角稳定性和低控制电压等优点,具有广泛的应用价值。     

基于石墨烯的可调谐太赫兹光子晶体结构

本文将石墨烯引入到常规光子晶体中构建一种新型光子晶体, 首次从理论上严格导出了决定其能带结构的色散关系, 由于色散关系中石墨烯电导率的存在导致了它具有与常规光子晶体有所不同的特殊光学性质, 我们发现, 随着费米能增大, 低频段能带迅速向高频移动, 而高频段能带移动缓慢, 导致了常规光子晶体没有的能带压缩现象的发生, 究其原因在于石墨烯在低频段电导率迅速变化, 而高频段电导率变化缓慢, 导致能带向高频压缩, 使得光波原先允许频率变成禁止传播, 而禁止频率变成允许传播.     

基于超材料的偏振不敏感太赫兹宽带吸波体设计

本文设计了一种基于超材料的偏振不敏感太赫兹宽带吸波体.吸波体包含两层金属和一层中间介质,表面金属层每一个周期单元由五种尺寸接近的金属块按照相邻不同的规律排列成5×5的方形阵列.各种尺寸金属块分别产生单峰谐振吸收,五个谐振吸收峰相互靠近从而产生宽带吸收.通过研究吸波体表面电流和电场z分量分布情况可知,入射太赫兹能量的吸收主要是由y方向上电场引起的电偶极子振荡和z方向上磁场引起的磁极化产生,而且金属层的欧姆损耗起主要作用.仿真结果表明,吸波体吸收率在80%以上的带宽约为1.2 THz,最高吸收率可达98.7%,半峰全宽(FWHM)为1.6 THz,该宽带吸波体的厚度约为中心波长的二十分之一,对偏振方向不敏感,且能实现大角度吸收,在太赫兹频段的电磁隐身、测辐射热探测器以及宽带通信等领域有潜在的应用价值.     

基于石墨烯超材料表面等离子体激元共振的增强太赫兹调制

基于表面等离子体共振原理,采用石墨烯超材料设计了开口环结构,用于调制太赫兹波.增加石墨烯的费米能级,改变开口环的开口距离,叠加多层石墨烯以增强石墨烯超材料的共振强度,进而增强太赫兹波调制,调制频率范围包括低频段和高频段.由于石墨烯费米能级的可调谐性,单层结构在高低两个频段的调制深度分别为81%和68%,多层结构在高低两个频段的调制深度分别增加到93%和95%,为动态调制提供了可能.该设计为调制器、吸收体等太赫兹器件的设计提供了指导和借鉴.     

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%。     

工字形太赫兹超材料吸波体的传感特性研究

利用超材料吸波体对材料参数的电磁响应, 可将其应用于传感. 本文设计了一种工字形单元结构的超材料吸波体, 基于频域算法对其在太赫兹频段的传感特性进行数值模拟, 研究了待测样品折射率、厚度及电介质隔层厚度对超材料吸波体传感器的频率灵敏度、振幅灵敏度及品质因数的影响. 研究结果表明:当待测样品厚度为40 μm时, 折射率频率灵敏度可达到153.17 GHz/RIU, 折射率振幅灵敏度可达到41.37%/RIU; 待测样品折射率一定时, 厚度频率灵敏度随其厚度的增大而线性减小; 随着待测样品厚度的增加, RFOM呈增大趋势, 但增大幅度在逐渐减小; TFOM随待测样品厚度的增加而减小.     

基于双尺度4分离层优化的石墨烯太赫兹宽带吸波结构

为实现对未来远程太赫兹雷达的高效对抗与隐身,针对典型太赫兹雷达工作频率设计了一种石墨烯太赫兹宽带吸波结构。宽带吸波结构以表层金属层/石墨烯层/介质层/底层金属层为基本吸波结构单元,利用遗传算法对双尺度基本吸波结构单元进行4分离层优化设计,确定宽带吸波结构的各层结构参数。仿真结果表明:宽带吸波结构在0.138 THz～2 THz频率范围内吸收效率优于80%,在0.157 THz～2 THz频率范围内吸收效率优于97.46%,典型太赫兹雷达工作频率处吸收效率均优于92.27%,满足太赫兹雷达对抗与隐身要求。     

基于石墨烯和二氧化钒的太赫兹宽带可调谐超材料吸收器

太赫兹超材料吸收器作为一种重要的太赫兹功能器件,被广泛应用于生物医学传感、电磁隐身、军用雷达等多个领域.但这种传统的超材料吸收器结构具有可调谐性差、功能单一、性能指标不足等缺点,已经无法满足复杂多变的电磁环境的要求,因此可调谐超材料吸收器逐渐成为了太赫兹功能器件领域的研究热点.为实现超材料吸收器吸收特性的调谐,通常从调...     

Ultrasensitive terahertz/infrared waveguide modulators based on multilayer graphene metamaterials

This paper studies and classifies the electromagnetic regimes of multilayer graphene‐dielectric artificial metamaterials in the terahertz/infrared range. The employment of such composites for waveguide‐integrated modulators is analysed and three examples of novel tunable devices are presented. The first one is a modulator with excellent ON‐state transmission and very high modulation depth: >38 dB at 70 meV graphene's electrochemical potential (Fermi energy) change. The second one is a modulator with extreme sensitivity towards graphene's Fermi energy ‐ a minute 1 meV variation of the latter leads to >13.2 dB modulation depth. The third one is a tunable waveguide‐based passband filter. The narrow‐band cut‐off conditions around the ON‐state allow the latter to shift its central frequency by 1.25% per every meV graphene's Fermi energy change.     

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.     

Tunable multi-band terahertz absorber based on graphene nano-ribbon metamaterial

The tunable multi-band selective absorption effect with graphene nano-ribbon metamaterial is investigated. It is achieved by depositing a set of graphene nano-ribbons on a dielectric spacer backed with a metallic mirror. A dual-band and tri-band absorbers are designed to illustrate such multi-band selective absorption behavior. The designed graphene absorbers exhibit near-unity absorption at multiple resonance frequencies, which is attributed to the plasmonic resonance of graphene nano-ribbons with different widths. Moreover, the multiple resonance wavelengths can be tuned in a wide frequency range by changing the Fermi energy and the absorbers possess large angle insensitivity. Last, a Fabry-Perot model is employed to give a physical understanding of such multi-band selective absorption effect. It is believed that the conclusions may be useful for designing of next-generation graphene-based optoelectronic devices.     

Reflection-type electromagnetically induced transparency analogue in terahertz metamaterials

A reflection-type electromagnetically induced transparency（EIT） metamaterial is proposed, which is composed of a dielectric spacer sandwiched with metallic patterns and metallic plane. Experimental results of THz time domain spectrum（THz-TDS） exhibit a typical reflection of EIT at 0.865 THz, which are in excellent agreement with the full-wave simulations. A multi-reflection theory is adopted to analyze the physical mechanism of the reflection-type EIT, showing that the reflection-type EIT is a superposition of multiple reflection of the transmission EIT. Such a reflection-type EIT provides many applications based on the EIT effect, such as slow light devices and nonlinear elements.     

基于石墨烯的太赫兹器件研究进展

石墨烯是一种零带隙二维的半导体材料, 具有极高的载流子迁移率, 优异的机械、电学、热学和光学等性能. 在太赫兹辐射源、调制器和探测器件的研究中, 石墨烯材料具有独特的优势. 本文以石墨烯材料在太赫兹辐射源、调制器以及探测器等器件方面的应用为主, 综述了石墨烯太赫兹器件的最新研究进展.     

Tunable terahertz plasmon in grating-gate coupled graphene with a resonant cavity

Plasmon modes in graphene can be tuned into resonance with an incident terahertz electromagnetic wave in the range of 1–4 THz by setting a proper gate voltage.By using the finite-difference-time-domain(FDTD)method,we simulate a graphene plasmon device comprising a single-layer graphene,a metallic grating,and a terahertz cavity.The simulations suggest that the terahertz electric field can be enhanced by several times due to the grating–cavity configuration.Due to this near-field enhancement,the maximal absorption of the incident terahertz wave reaches up to about 45%.     

基于石墨烯的光学控制窄带太赫兹开关

本文提出了一种光控太赫兹开关,该开关采用覆盖单层石墨烯的十字金属谐振器超表面。利用石墨烯表面电导率模型和有限元法计算了这种复合结构的光谱特性。模拟结果表明,在0.2 W/mm²的光泵浦后,传输谱（调制深度为36.8%,Q-因子为250）出现了窄带共振衰减现象。另外,这种衰减的调制深度可以通过改变泵浦强度微调节。因此,光学可调谐太赫兹开关的设计将有助于太赫兹通信应用的功能组件开发。     

石墨烯太赫兹波动态调制的研究进展

石墨烯是一种有着独特电学和光学性质的二维材料,近年来在太赫兹波动态调制的研究中有着广泛的应用。本文主要对基于石墨烯的太赫兹波动态调制器件进行了综述,分析了电调制、光调制和光电混合调制3种调制方法的原理和优缺点,介绍了近几年来将石墨烯应用于太赫兹波动态调制所取得的一系列科研成果,着重对不同器件的调制性能进行了对比,分析了优势和不足。石墨烯可调超材料为实现更快速、高效的太赫兹调制器件提供了新的思路。     

基于石墨烯振幅可调的宽带类电磁诱导透明超材料设计

基于石墨烯的电控特性提出了一种由金属线谐振器和"H"型谐振器组成的宽带可调的类电磁诱导透明(类EIT)超材料结构.首先,利用CST Microwave Studio软件对该超材料结构的透射特性进行了仿真.该结构在1.05—1.46 THz内的透射窗由金属线谐振器的等离子谐振和"H"型谐振器的电感-电容谐振干涉相消引起,且暗模式谐振器的数量增多导致了透射窗带宽的增加.其次,仿真模拟了该结构在不同石墨烯费米能级下的透射特性.当石墨烯费米能级由0 eV逐渐增加到1.5 eV时,该结构透射窗在1.05—1.46 THz内的平均透射振幅由87%逐渐减少到25%,实现了宽带可调.同时,通过仿真模拟该结构在1.26 THz下的电场分布对其透射机理进行了分析,并实验制备了类EIT超材料结构样品,且利用太赫兹时域光谱对样品进行了透射性能测试,测试结果与仿真分析的趋势基本一致.