基底对亚波长金属双环结构太赫兹透射性质的影响

太赫兹波通过人工金属亚波长结构开口共振环(SRRs)可以产生共振吸收, 目前普遍采用LC振荡电路和线性振子模型来解释. 利用太赫兹时域光谱系统测得并无开口的亚波长金属双环和反双环结构阵列透射的太赫兹波, 结果仍然观察到在太赫兹透射谱中存在吸收峰. 分析得出此吸收峰的出现可以用线性振子模型解释. 此外, 研究发现若将此结构制作到石英基底上, 当以样品表面法线方向为轴旋转样品时其太赫兹透射时域波形和频谱均会随旋转角度出现明显的周期性变化, 而以硅为基底并不出现此现象. 本文将其原因归结为石英基底的双折射效应对亚波长金属双环结构太赫兹透射性质的影响. 本文主要目的是分析造成这种影响的物理过程.     

布料的太赫兹波透射特性研究

为获得太赫兹波对常见衣物布料的穿透特性,基于布料的物理结构以及太赫兹波传输的影响因素,建立了常见布料的太赫兹波传输模型,计算获得了不同相对湿度条件下典型太赫兹波长对布料的透过率。随后,利用太赫兹时域光谱系统对棉质布料样品进行透射实验测试,获得了布料在0.1~2 THz范围内不同相对湿度条件下的透过率。通过理论计算结果与实验测试结果的对比分析,验证了该传输模型的有效性,获得了太赫兹波对常见棉质布料的穿透特性。此外,在30%相对湿度条件下,实验研究了多层棉质布料的太赫兹透射特性。研究结果表明,在可见光波段"不透明"的衣物布料,利用太赫兹波可实现良好的"透视",但其对布料的穿透特性一定程度上受到环境相对湿度的影响,该研究对于衣物内隐藏危险物品的快速检测具有重要意义。     

椭圆金环结构的太赫兹透射增强

利用太赫兹时域光谱系统,测量了3种在硅衬底上淀积厚度为100nm金膜的椭圆环阵列结构后,并且分析了各样品在太赫兹波段的透射增强现象及产生机理.结果表明:在整个太赫兹波段,此组结构样品的透射系数均在0.68以上,产生明显的透射增强;当太赫兹波的偏振方向与椭圆环长轴之间的夹角为90°时,3个样品在1.67THz处的共振峰是由于短轴方向的电子形成偶极子振荡与入射太赫兹波进行耦合产生的;夹角为0°时,周期阵列样品无明显共振峰,而分形阵列样品的共振峰则不如斑图阵列样品的明显;样品结构的对称性越差,透射谱的信息越丰富.此外,分析相位差谱也验证了共振增强透射的存在.     

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。     

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.     

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.     

连续太赫兹激光透射扫描成像实验研究

太赫兹成像可用于安检、反恐和工业生产等领域,已成为研究热点。由于连续太赫兹激光源体积较小、操作简单,因此,近几年对连续太赫兹激光成像的研究越来越多。基于C02激光泵浦甲醇气体生成的118．83μm激光,采用室温单元探测器、二维位移平台、聚乙烯透镜、光阑和计算机等器件组成的扫描透射成像系统对物体进行了成像实验,比较分析了扫描步长分别为1mm和0．5mm的成像结果。实验结果表明,由于增加光阑,实际成像功率下降,但此套成像系统在激光输出功率约为20mW时,仍成像清晰,且步长为0．5mm的成像效果更好。     

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...     

基于科赫曲线分形结构太赫兹带通滤波器

太赫兹滤波器是太赫兹通信、太赫兹成像和太赫兹检测等太赫兹应用系统中不可或缺的功能器件。按照不同的分类方式,滤波器有不同的种类,常见的按照选频功能可分为高通滤波器、低通滤波器、带阻滤波器和带通滤波器。为了实现在太赫兹波段的滤波效果,世界各地的研究人员利用不同的结构、材料和控制方式实现了功能各异的太赫兹滤波器,但是考虑到设计的器件要应用到太赫兹系统中,成本低廉、结构简单、性能优越的太赫兹滤波器一直是研究人员的追求。分形概念自提出以来在很多研究领域都有了快速发展,但是在太赫兹波段的应用还不是很常见,特别是应用于太赫兹功能器件的设计。引入分形中科赫曲线的概念设计并制备了一种新型的太赫兹带通滤波器,该滤波器是在金属薄膜上刻蚀出科赫曲线分形结构,当太赫兹波垂直入射到该滤波器时候实现了在太赫兹波段的窄带滤波。在滤波器的设计过程中,追求理论与实验相结合,首先在电磁仿真软件中建立科赫曲线分形结构滤波器模型进行计算,探究分形结构应用于太赫兹波段进行滤波的可行性,在进行多次计算之后得到优化后的尺寸和结构,然后根据优化后的尺寸加工出科赫曲线分形结构太赫兹滤波器样品,并且将样品放在太赫兹时域光谱系统中进行实验测量,得到实验数据后与仿真结果进行比较。在仿真中利用了时域有限差分法模拟科赫曲线分形结构太赫兹带通滤波器的传输特性,优化后的仿真结果表明:滤波器的谐振频率为0.715 THz,透射系数能够达到0.92,-3 dB带宽为21.9 GHz,将仿真得到的散射参数进行S参数反演得到了太赫兹滤波器样品的电磁参数,这在理论上分析了太赫兹波在谐振点处产生透射增强的原因。利用飞秒激光微加工系统制备了尺寸优化后的科赫曲线分形结构太赫兹带通滤波器样品,然后使用太赫兹时域光谱系统对样品的传输特性进行测试,对实验得到的时域数据进行快速傅里叶变换之后得到频域数据,再把频域数据进行归一化处理后与之前的电磁仿真结果进行对比,发现实验测得的结果与电磁软件仿真得到的结果较为吻合。     

Extraordinary terahertz transmission through subwavelength spindle-like apertures in NbN film

We studied numerically the temperature dependent extraordinary terahertz transmission through niobium nitride(NbN) film perforated with subwavelength spindle-like apertures. Both the resonant frequency and intensity of extraordinary terahertz transmission peaks can be greatly modified by the transition of NbN film from the normal state to the superconducting state. An enhancement of the(±1, 0) NbN/magnesium oxide(MgO) peak intensity as high as 200% is demonstrated due to the combined contribution of both the superconducting transition and the excitation of localized surface plasmons(LSPs) around the apertures. The extraordinary terahertz transmission through spindle-like hole arrays patterned on the NbN film can pave the way for us to explore novel active tuning devices.     

Electrically tunable resonant terahertz transmission in subwavelength hole arrays

An actively enhanced resonant transmission in a plasmonic array of subwavelength holes is demonstrated by use of terahertz time-domain spectroscopy. By connecting this two-dimensional element into an electrical circuit, tunable resonance enhancement is observed in arrays made from good and relatively poor metals. The tunable feature is attributed to the nonlinear electric response of the periodic hole array film, which is confirmed by its voltage–current behavior. This finding could lead to a unique route to active plasmonic devices, such as tunable filters, spatial modulators, and integrated terahertz optoelectronic components.     

Thermal switching of the enhanced transmission of terahertz radiation through subwavelength apertures

We demonstrate that the extraordinary transmission of terahertz radiation through semiconductor gratings of subwavelength apertures can be switched completely by varying the temperature. The enhanced transmission, which is due to the resonant tunneling of surface plasmon polaritons that can be excited in semiconductors at terahertz frequencies, is controlled by thermally modifying the density of free carriers. The transmission through metal gratings cannot be switched in the same way since the carrier density is temperature independent. Thus semiconductors offer an interesting alternative to metals in enhancing the transmission of electromagnetic radiation.     

太赫兹波段下金属狭缝的透射增强特性研究

用太赫兹时域光谱技术研究了具有不同宽度的金属狭缝透射光谱特征. 实验结果显示在实验测量有效光谱范围(02 THz—26 THz)内,当狭缝宽度小到一定程度,在频谱中出现了共振增强,具有明显的带通带阻现象,并在理论上分析了这种共振透射现象的原因. 关键词： 表面等离子体 太赫兹脉冲 时域光谱技术 金属狭缝     

Extraordinary terahertz transmission through subwavelength spindle-like apertures in NbN filmExtraordinary terahertz transmission through subwavelength spindle-like apertures in NbN filmExtraordinary terahertz transmission through subwavelength spindle-like apertures in NbN filmExtraordinary terahertz transmission through subwavelength spindle-like apertures in NbN film

We studied numerically the temperature dependent extraordinary terahertz transmission through niobium nitride （NbN） film perforated with subwavelength spindle-like apertures. Both the resonant frequency and intensity of extraor- dinary terahertz transmission peaks can be greatly modified by the transition of NbN film from the normal state to the superconducting state. An enhancement of the （~1,0） NbN/magnesium oxide （MgO） peak intensity as high as 200% is demonstrated due to the combined contribution of both the superconducting transition and the excitation of localized surface plasmons （LSPs） around the apertures. The extraordinary terahertz transmission through spindle-fike hole arrays patterned on the NbN film can pave the way for us to explore novel active tuning devices.     

Tunable enhanced transmission of terahertz radiation through an array of subwavelength holes perforated on a semiconductor film by applying external static magnetic fields

We numerically investigated the tunability of resonance terahertz frequencies of enhanced transmission through a two-dimensional array of holes perforated on a semiconductor film by external static magnetic fields using FDTD methods. We found that the in-plane surface-plasmon polaritons-induced transmission peaks shifted appreciably to longer wavelengths when a moderate magnetic field is applied parallel to the patterned semiconductor film and perpendicular to the electric fields of the incident electromagnetic waves. In particular, there is another transmission peak on which the tuning effect is neglectable, indicating that different mechanism accounts for it.     

单一亚波长孔径增强透射效应的传输线模型

为了研究亚波长孔径的增强透射效应,把传输线理论引入到了单一亚波长金属孔径的增强光学透射效应中。把金属孔径看成传输线,将电流在传输线上的传输和类Fabry-Pérot腔联系起来;把孔径的出射面看成是传输线的输出端,将出射面的电流看成是一种局域的衰逝电流,电流经传输线在传输线的输出端以天线辐射的形式辐射电磁波。解释了孔径透射的近场分布问题、孔径增强透射峰的位置问题和透射峰位置随金属板厚度的红移问题,得到了与其它理论和实验一致的结果,对开发基于增强透射的亚波长元件具有重要的参考价值。     

Ultrasonic transmission through multiple-sublattice subwavelength holes arrays

The ultrasonic transmission through plates perforated with 2 × 2 or 3 × 3 square array of subwavelength holes per unit cell are studied by numerical simulations. Calculations are obtained by means of a theoretical model under the rigid-solid assumption. It is demonstrated that when the inter-hole distance within the unit cell is reduced, new transmission dips appear resulting from Wood anomalies that have influence on the second and the third order Fabry-Perot peak. When the inter-hole distance within the unit cell is reduced, the transmission spectrum of the multiple-sublattice holes arrays tends to the transmission spectrum of a plate perforated with only one hole in the unit cell.