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。     

基于太赫兹时域光谱技术的光学参数提取方法的研究进展

光学参数是宏观上表征材料光学性质的物理量,间接反映了材料的微观特性,对光学参数准确的提取可以研究材料的微观性质和机理。近年来,太赫兹时域光谱技术作为一种新兴的光谱分析手段已经成为研究的热点。由于太赫兹辐射能量低并且脉冲宽度窄(皮秒量级),太赫兹时域光谱技术在提取光学参数方面具有无损伤和高时间分辨率的特点。本文总结了基于太赫兹透射和反射时域光谱技术的光学参数提取方法的研究进展,着重阐述了几种经典方法,分析了每种方法的优缺点,并讨论了太赫兹时域光谱技术用于提取材料光学参数的挑战。研究结果表明,透射法适用于对太赫兹波吸收较弱的物质,而反射法则适用于对太赫兹波有强烈吸收的材料。     

生物基底材料的超宽频带太赫兹光谱研究

作为一种新兴的方式,太赫兹时域光谱和成像已经被广泛应用到研究不同生物组织的光学特性。在空气等离子体处施加偏置电场对太赫兹波脉冲进行外差式相干检测(air-biased-coherent-detection,ABCD)的太赫兹系统具有超宽频带和可以在较远距离进行成像的优点,十分适用于对生物组织进行超宽谱研究,而对生物组织进行光谱测量通常需要基底材料。利用太赫兹ABCD系统对四种典型的基底材料(石英,高密度聚乙烯,聚四氟乙烯和石蜡)的光学参数进行测定,并计算其在1~15THz频率范围内的吸收系数和折射率。结果表明,高密度聚乙烯和石蜡可以很好的被用作生物组织超宽频带太赫兹光谱测量的基底材料。同时,虽然石英和聚四氟乙烯都是窄带(0.1~3THz)太赫兹系统中常用的基底材料,但是由于它们在高于5THz的频率范围内对太赫兹波具有较强的吸收,所以不能用作超宽频带太赫兹光谱测量的基底材料。     

基于相对论电子束的太赫兹源

太赫兹辐射在基础科学和产业应用中具有重要的应用前景,但传统的电子学和光学方法难以在1～10 THz产生相干的高功率、窄带且连续可调的太赫兹辐射。基于相对论性超短电子束和预调制电子束序列的加速器太赫兹源将能在上述范围内产生可调的高能谱强度窄带太赫兹辐射。综述了清华大学加速器实验室近年来在基于相对论电子束的加速器太赫兹源方面的理论和实验进展,以及与加速器太赫兹源一起发展起来的太赫兹辐射测量、束流诊断和先进加速技术。     

基于聚酰亚胺基底的太赫兹滤波器

超材料是通过人工方式做成的具有特殊电磁特性的亚波长周期性金属结构,通过合理的设计样品结构,可以实现自然界中传统材料无法实现的电磁现象。超材料可以广泛用于电磁隐身、完美吸收、负折射率等研究领域,近些年,随着太赫兹技术的发展,太赫兹超材料器件被广泛研究。由于硅（Si）对于太赫兹波的透过率较高,通常选取Si作为基底材料。但Si硬度较高、不易弯曲且易碎等缺点限制了THz超材料的应用。聚合物材料聚酰亚胺具有柔性,作为基底,克服了传统硅基底的缺点,透过率可以与Si匹敌,而且其表面光滑,适合传统光刻技术加工。对聚酰亚胺在太赫兹波段光学性质的测试结果表明,此种材料的折射率在1.9左右,透过率达到80%以上。设计了一种双开口谐振环结构,研究了其太赫兹波透射性质以及随太赫兹波的入射角度和样品曲率的变化规律,发现透射峰强度和峰位均不发生改变。此结果展示了将平面滤波延伸到曲面滤波领域的可能性,若将聚酰亚胺基底做薄,为今后太赫兹频段隐身衣的研究提供基础。将不同结构的两种样品叠加在一起制成宽谱滤波器, 50%的带宽达到181 GHz。此种宽带滤波器制作简单,滤波效果显著,为太赫兹波段宽带滤波器的制作提供一种新思路。     

太赫兹波段表面等离子光子学研究进展

表面等离子光子学是研究金属、 半导体纳米结构材料独特的光学特性, 是目前光子学中最有吸引力、 发展最快的领域之一. 伴随着微/纳制造技术与计算机模拟技术的进步, 表面等离子光子学在可见光、 红外、 太赫兹以及微波频域得到了广泛研究, 在高灵敏生化传感、 亚波长光波导、 近场光学显微、 纳米光刻等领域有潜在的应用价值. 特别是人工超材料的发展, 为自然界长期缺乏响应太赫兹波的材料和器件奠定了基础, 从而也促进了太赫兹波段表面等离子光子学的研究. 本文从太赫兹表面等离子波的激发、 传导、 最新应用及未来发展趋势等几个方面进行了回顾和讨论, 将最新研究成果展示给读者.     

太赫兹超材料生物传感器的应用研究进展

太赫兹（THz）波,是指频率范围在0.1～10 THz的电磁波,在电磁波谱中处于红外与微波之间。太赫兹波的光子能量相对于可见光更低,1 THz对应的能量大约只有4.14 meV,意味着这将大大减少对生物体内组织器官的辐射而引起的伤害,不会对生物分子产生电离。因此,该波段在基础科学、人体安检、危险品检测、高速通信和医学成像等领域具有重要的潜在应用价值。但在医药和生物探测的应用中,通常需要检测微量的分析物,这就需要更高的灵敏度和检测的准确度。但是现存的检测方法受到太赫兹波强度检测可靠性不高的影响。基于超材料的生物传感可以通过增强局域电磁谐振,实现亚波长分辨,大大提高了传感器的分辨率与灵敏度,引起了人们的广泛关注。超材料是一种人工设计的周期性结构,通过合理设计可以增强局域电磁谐振响应,实现亚波长分辨,大大提高传感器的分辨率与灵敏度。太赫兹超材料传感器为生物传感领域提供了一种新的检测方法,具有灵敏度高、响应速度快、无标记检测等优点。随着微纳加工技术的快速发展,制作超材料太赫兹传感器的成本不断降低,从而在生物医学领域具有非常大的潜在应用价值。基于超材料的太赫兹传感器的研究已成为目前一个非常热门的国际前沿方向。但是关于太赫兹超材料传感器的最新研究进展未见报道,为此通过大量搜集并整理相关资料,综述了太赫兹超材料传感器在各种生物探测场景中的最新应用,分别从医学诊断、食品安全、农药检测等方面展开介绍。最后,对太赫兹超材料在生物传感器的发展和应用前景进行了总结和展望。该研究将为人们充分掌握太赫兹超材料生物传感器的最新应用进展提供重要参考,同时为太赫兹超材料传感器的发展和应用提供方向性的指导。     

基于非线性光学几何相位的超构表面太赫兹辐射源

太赫兹技术已被广泛用于材料物理、医学检测等领域,在太赫兹光源上直接对太赫兹波的偏振和相位等进行多维度调控,对进一步推动太赫兹技术的应用和发展具有重要意义. 近日,南方科技大学材料科学与工程系李贵新课题组与以色列特拉维夫大学Tal Ellenbogen课题组合作,基于非线性光学几何相位理论,设计并实现了一种新型超构表面太...     

新型有机晶体及超宽带太赫兹辐射源研究进展

非线性光学晶体是非线性光学频率变换技术中的核心器件。近些年,为进一步提高基于非线性光学频率变换技术产生太赫兹波的输出能量、转换效率,拓宽产生太赫兹波的带宽,多种新型有机晶体得以发展,并凭借其更加出色的非线性光学性质,成为产生太赫兹波的理想材料。本文按照晶体类型介绍了目前可产生THz波的多种有机晶体的性质,并总结了基于多种有机晶体的超宽带太赫兹辐射源的国内外研究进展,同时结合THz光谱检测技术的应用需求分析了基于有机晶体宽带THz辐射源的发展趋势以及所面临的关键科学问题。     

太赫兹波段豆油光谱的优化测量

太赫兹时域光谱技术是基于飞秒超快激光技术的有效的光谱检测技术,太赫兹波独特的优势使其成为一种有效的无损检测手段,并被广泛地应用到各个领域。然而在样品检测尤其是液体样品检测过程中,由于Fabry-Perot效应的存在,太赫兹波在样品、样品容器、以及光学元件之间的多次反射,使时域信号产生回波,样品的吸收光谱在频域内产生振荡,有可能会隐藏一些重要的吸收特征。为了解决这一问题,对解卷积算法进行改进,在传统计算模型的基础上,考虑系统中液体池窗片和光学元件对太赫兹波的非线性吸收,将包含回波的太赫兹时域信号描述为太赫兹主脉冲与一系列冲击信号和非线性传递函数的卷积。通过分析,有效去除回波引起的频谱振荡,进一步提高太赫兹波段豆油光学参数的测定精度。实验对比了改进前后0.2～2 THz波段豆油的频谱及吸收谱,实验结果证明,与传统的主脉冲截取法相比,本算法不仅能有效去除回波引起的频谱振荡,且在相同检测条件下,可将太赫兹波段豆油样品的频率分辨率由50 GHz有效提高至10 GHz。该算法不受被测对象参数的影响,同样适用于其他液体的太赫兹时域光谱测量。最后对吸收谱中残余的频谱振荡进行了深入分析。     

太赫兹波段超材料的制作、设计及应用

本文从制作方法、结构设计和材料选择几方面综述了超材料在太赫兹波段的电磁响应特性和潜在应用。首先,介绍了获得不同维度、具有特异电磁响应以及结构可调超材料的各种微加工制作方法,进而分析和讨论了超材料的电磁响应特性。文中指出,结构设计可以控制超材料的电磁响应特性,如各向异性、双各向异性、偏振调制、多频响应、宽带响应、不对称透射、旋光性和超吸收等。超材料的电磁响应依赖于周围微环境的介电性质,因而可用于制作对环境敏感的传感器件。此外,电光、磁光、相变、温度敏感等功能材料的引入可以获得光场、电场、磁场、温度等主动控制的太赫兹功能器件。最后,简单介绍了超材料在太赫兹波段进一步发展所面临的机遇和挑战。     

Optically implemented broadband blueshift switch in the terahertz regime

We experimentally demonstrate, for the first time, an optically implemented blueshift tunable metamaterial in the terahertz (THz) regime. The design implies two potential resonance states, and the photoconductive semiconductor (silicon) settled in the critical region plays the role of intermediary for switching the resonator from mode 1 to mode 2. The observed tuning range of the fabricated device is as high as 26% (from 0.76 THz to 0.96 THz) through optical control to silicon. The realization of broadband blueshift tunable metamaterial offers opportunities for achieving switchable metamaterials with simultaneous redshift and blueshift tunability and cascade tunable devices. Our experimental approach is compatible with semiconductor technologies and can be used for other applications in the THz regime.     

Tunable dual-band infrared chiral metamaterials based on double-layered asymmetric U-shape split ring resonators

We have numerically demonstrated chiral metamaterials based on double-layered asymmetric U-shape split ring resonators. Dual-band circular dichroism is found in the whole frequency regime from 50 to 250 THz by studying the transmission properties. Huge optical activity and the induced negative refractive index are obtained at resonance by calculating the optical activity and ellipticity of the transmitted E-fields. Chirality parameter and effective refractive index are retrieved to illustrate the tunable optical properties of the metamaterials. The underlying mechanisms for the observed circular dichroism are analyzed. These metamaterials would offer flexible electromagnetic applications in the infrared regime.     

基于钛酸锶钡介电非线性效应的可调谐太赫兹人工电磁媒质

数值仿真研究了内嵌钛酸锶钡薄膜夹层的金属网格谐振单元人工电磁媒质的谐振行为. 垂直电磁波激励下, 电磁响应频率随着内嵌夹层钛酸锶钡薄膜介电常数的变大呈现红移, 调谐率为22.6%. 本文提出的人工电磁媒质调谐方法只需要以结构单元的上下两层金属图形本身作为电极对内嵌夹层钛酸锶钡薄膜施加电压, 极大地简化了可调谐人工电磁媒质的制备及应用, 在太赫兹人工电磁媒质调制器等方面具有潜在的应用. 关键词： 人工电磁媒质 钛酸锶钡薄膜 介电非线性 调谐     

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.     

Mechanically tunable metamaterials terahertz dual-band bandstop filter

We experimentally demonstrate a mechanically tunable metamaterials terahertz(THz) dual-band bandstop filter. The unit cell of the filter contains an inner aluminum circle and an outside aluminum Ohm-ring on high resistance silicon substrate. The performance of the filter is simulated by finite-integration-time-domain(FITD) method. The sample is fabricated using a surface micromachining process and experimentally demonstrated using a THz time-domain-spectroscopy(TDS) system. The results show that, when the incident THz wave is polarized in y-axis, the filter has two intensive absorption peaks locating at 0.71 THz and 1.13 THz, respectively. The position of the high-frequency absorption peak and the amplitude of the low-frequency absorption peak can be simultaneously tuned by rotating the sample along its normal axis.The tunability of the high-frequency absorption peak is due to the shift of resonance frequency of two electrical dipoles,and that of the low-frequency absorption peak results from the effect of rotationally induced transparent. This tunable filter is very useful for switch, manipulation, and frequency selective detection of THz beam.     

Manipulating Nonlinear Photocurrent from Interlayer Coupling in Bilayer Metamaterials for Polarized Terahertz Generation

Polarized terahertz (THz) wave generation is of great significance for chiral and anisotropic sensing applications. However, how to manipulate amplitude, polarization, and ellipticity of the THz generation is still a fundamental challenge. Herein, polarized THz wave generation is achieved from a bilayer metamaterial consisting of T-shaped structure (TSS) and split resonator rings (SRRs) by combining Maxwell and hydrodynamic equations. The elliptically polarized THz wave can be synthetized directly from horizontally and vertically polarized THz components due to the orthogonal nonlinear photocurrents along the arm-directions of TSS and SRRs, respectively. Besides, the ellipticity and the orientation angle of the THz polarization ellipse can be modulated by the twist angle between the SRRs and TSS layers. The maximum ellipticity can reach 0.34 while the orientation angle is tunable from −0.45 to 0.48π by tuning the twist angle. This work proposes an interlayer coupling method for the polarized THz sources based on metamaterials in potential circular dichroism and chiral sensing applications.     

Terahertz generation with tandem seeded optical parametric generators

A simple difference frequency generation (DFG) scheme based on two seeded optical parametric generators is presented as a tunable terahertz (THz) source. Using the nonlinear optical crystal 4-dimethylamino-N-methyl-4-stilbazolium-tosylate (DAST) as the DFG crystal, our system has demonstrated continuous and seamless tunable operation from 1.6 to 4.5 THz. The output bandwidth of the THz source is 2.4 GHz. The utility of the source over this spectral range is demonstrated by measuring a high-resolution transmission spectrum of water vapor in air.     

Optical properties of femtosecond laser-treated diamond

Coupling effect in spiral-shaped metamaterials composed of four half rings at different sizes is investigated to achieve tunability in THz range. This novel spiral-shaped structure was fabricated on flexible substrate with laser micro-lens array (MLA) lithography and measured by THz time domain spectroscopy (THz-TDS). The experimental results suggest that mutual capacitance and inductance coupling in the spiral-shaped structure would result in frequency shifts of the four resonances. The observed shifting trends of the four resonant frequencies are in good agreement with simulation and are further explained by the electric field distribution. By varying the gap sizes among the half rings, four resonant frequencies can be tuned flexibly. Such a spiral-shaped design has potential applications in multi-band tunable THz MEMS devices.