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.     

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.     

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。     

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CiteSpace软件分析的太赫兹超材料器件研究

超材料具备天然材料没有的电磁性质,基于超材料的太赫兹(THz)功能器件在生物分子检测、医学成像、安全检查等领域都具有广泛的应用前景。采用CiteSpace软件对2016年—2023年web of science网站上有关太赫兹超材料功能器件的参考文献进行了可视化分析,综述了THz超材料功能器件的研究进展、热点领域,并对其发展前景进行了预测,从而为从事相关研究的工作人员提供借鉴。此次分析共检索到紧密相关文献2 159篇。论文从发表文献的国家、机构和作者贡献、被引次数和关键词聚类等多方面分别进行了分析和讨论。得到了最近几年THz超材料功能器件的研究领域,主要包括吸波器、滤波器、电磁诱导透明、调制器、非对称传输、波前调控、编码超表面、机器学习、生物传感和量子纠缠超表面等。研究发现在THz超材料功能器件领域,中国发文量占所有文章总数的50%以上,英国、中国、美国这三个国家的影响力最高。通过对科研机构的合作网络分析,发现发文量排名前十位的科研机构均是中国单位,其中天津大学发文量占据第一位。通过对论文作者的共现分析和共被引分析,可以分别统计出作者的发文数量和影响力。为进一步研究THz超材料功能器件...     

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.     

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.     

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...     

太赫兹通信技术研究进展

对未被分配的空闲频谱资源的需求增长,将不可避免地使无线通信系统的工作频率向更高频率的太赫兹(THz)频段发展。大数据的瞬时传输将采用更高的载波频率,以满足高传输速率的需求。大量的研究表明,THz技术在通信领域的应用与当今比较成熟的微波通信和光纤通信相比,具有更多的优点,比如说,传输速率高,方向性好,安全性高,散射小,以及穿透性好等。文章总结了THz通信的特点及其适用领域,综述了近几年国际上THz通信研究最新进展,给出了未来THz通信系统可能的发展趋势。     

Bridging the terahertz near-field and far-field observations of liquid crystal based metamaterial absorbers

Metamaterial-based absorbers play a significant role in applications ranging from energy harvesting and thermal emitters to sensors and imaging devices.The middle dielectric layer of conventional metamaterial absorbers has always been solid.Researchers could not detect the near field distribution in this layer or utilize it effectively.Here,we use anisotropic liquid crystal as the dielectric layer to realize electrically fast tunable terahertz metamaterial absorbers.We demonstrate strong,position-dependent terahertz near-field enhancement with sub-wavelength resolution inside the metamaterial absorber.We measure the terahertz far-field absorption as the driving voltage increases.By combining experimental results with liquid crystal simulations,we verify the near-field distribution in the middle layer indirectly and bridge the nearfield and far-field observations.Our work opens new opportunities for creating high-performance,fast,tunable,terahertz metamaterial devices that can be applied in biological imaging and sensing.     

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.     

Actively tunable dual-broadband graphene-based terahertz metamaterial absorber

A tunable metamaterial absorber (MA) with dual-broadband and high absorption properties at terahertz (THz) frequencies is designed in this work. The MA consists of a periodic array of flower-like monolayer graphene patterns at top, a SiO₂ dielectric spacer in middle, and a gold ground plane at the bottom. The simulation results demonstrate that the designed MA has two wide absorption bands with an absorption of over 90% in frequency ranges of 0.68 THz-1.63 THz and 3.34 THz-4.08 THz, and the corresponding relative bandwidths reach 82.3% and 20%, respectively. The peak absorptivity of the absorber can be dynamically controlled from less than 10% to nearly 100% by adjusting the graphene chemical potential from 0 eV to 0.9 eV. Furthermore, the designed absorber is polarization-insensitive and has good robustness to incident angles. Such a high-performance MA has broad application prospects in THz imaging, modulating, filtering, etc.     

Simulation study on terahertz vibrational absorption in liquid crystal compounds

The terahertz (THz) spectrum absorptions of nematic liquid crystal (LC) material, i.e. N-(p-methoxybenzylidene)-p-butylaniline (MBBA), and its relevant compounds are simulated in this paper by using the density functional theory (DFT) method. A strong absorptive frequency is located at 3.65 THz for the MBBA, which is in agreement with experimental data found in the literature. The result suggests that the DFT method is effective for dealing with the anisotropic nematic LC compounds.     

基于布拉格光纤的磁场调制液晶太赫兹开关

利用中空布拉格光纤结构,设计了一种新型的磁场调制液晶太赫兹开关.通过在包层中采用周期交错的高密度聚乙烯和向列相液晶E7,并施加外磁场控制液晶的取向来改变液晶的折射率,从而实现开关的功能.该设计使开关宜于与光纤耦合,损耗小且能实现单模传输.采用有限元法模拟了开关的各项参数,数值计算表明,此开关的消光比可达2634 dB. 关键词： 太赫兹开关 布拉格光纤 液晶     

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.     

太赫兹片上系统和基于微纳结构的太赫兹超宽谱源的研究进展

目前太赫兹辐射信号的功率不高,辐射带宽也较窄,这些对于生物化学、含能材料的太赫兹检测应用领域来说是一大限制因素,因此如何获得宽谱高功率的太赫兹源对于太赫兹时域光谱系统的发展是非常重要的;另一方面,常规的太赫兹系统是在自由空间传输探测的,测量过程需要在氮气或者干燥空气环境中进行,以克服空气中水的吸收干扰,同时自由空间中的光场与物质相互作用的模式又降低了物质检测的灵敏度,这对于痕量物质检测来说构成了挑战.面对这一问题,太赫兹片上系统利用微纳结构中的局域场效应实现对物质的低浓度检测,此方案有助于解决这一应用难题.综上所述,本文分成以下两部分阐述:首先阐述了纳米金属薄膜作为新的太赫兹源,它可以同时产生非相干的和相干的太赫兹信号,其输出为超过100 THz的太赫兹-红外辐射,功率高达10 mW,这种超宽谱和高功率现象主要是由于非相干的热辐射效应引起的;第二,阐述了基于不同传输线结构、不同基底材料的太赫兹片上系统结构设计和光谱应用.基于共面带状线结构和聚合物材料基底的太赫兹片上系统有着较低的损耗,能够实现超过2 THz带宽的测量和生物化学应用.