太赫兹波段谐振频率可调的开口谐振环结构

开口谐振环(SRRs) 结构可以激励磁谐振, 实现负的磁导率. 提出在SRRs两环间隙内引入相对交错的金属短线, 并研究了金属短线对谐振频率的影响. 结果表明: 随着金属短线数目的增多, 谐振频率显著降低, 同时金属短线的结构参数如长度、宽度及间距也会对谐振频率产生影响. 最后验证了金属短线的引入对减小器件尺寸有明显作用, 且不因介质基底的存在而受到影响. 新型磁谐振单元可为今后超材料的设计及实际应用提供新的参考. 关键词： 左手材料 开口谐振环 太赫兹 小型化     

太赫兹频段开口环谐振器的可调谐振模式转换

在硅衬底上设计了一种单开口环谐振器，对其太赫兹频段内的透射性质进行了研究。假定通过光注入方式改变衬底硅的电导率，实现了谐振环的双谐振透射率可调。将砷化镓材料生长于该谐振环的开口处，通过光注入方式改变砷化镓材料的电导率，可以实现谐振环的双频LC共振和偶极子共振模式与单频闭合环共振模式之间的转换。这种通过光注入改变半导体材料电导率的方法，可以在不破坏原来谐振器件物理结构的前提下，实现谐振环谐振模式的可逆转换。     

太赫兹频段开口环谐振器的可调谐振模式转换

在硅衬底上设计了一种单开口环谐振器,对其太赫兹频段内的透射性质进行了研究。假定通过光注入方式改变衬底硅的电导率,实现了谐振环的双谐振透射率可调。将砷化镓材料生长于该谐振环的开口处,通过光注入方式改变砷化镓材料的电导率,可以实现谐振环的双频LC共振和偶极子共振模式与单频闭合环共振模式之间的转换。这种通过光注入改变半导体材料电导率的方法,可以在不破坏原来谐振器件物理结构的前提下,实现谐振环谐振模式的可逆转换。     

基于三维开口谐振环阵列和微流通道的太赫兹超材料吸收体传感器

基于三维开口谐振环(SRR)阵列和微流通道,在太赫兹频段内实现了一款基于超材料吸波器的高灵敏度折射率传感器,三维SRR阵列完全浸没于微流通道内,注入微流通道内的液相分析物在作为被测分析物的同时还充当了超材料吸波器的中间介质层。当微流通道的高度固定为33.1μm,而注入微流通道内的液相分析物的折射率从1.0变化到1.8时,该太赫兹超材料吸波器可作为折射率传感器,对应的折射率频率灵敏度达到379 GHz/RIU。仿真结果表明,该太赫兹超材料吸收体传感器的谐振电磁场被扩展到三维空间,并在微流通道内得到了很大程度的集中和增强,从而实现了谐振电磁场与待测分析物的空间重叠,增强了谐振电磁场与被测分析物之间的相互作用,进而实现了对液相分析物的高灵敏度传感。同样基于CST Microwave Studio仿真软件仿真研究了微流通道的高度和顶层覆盖电介质的厚度对超材料吸收体传感器的折射率灵敏度的影响。通过选择合适的微流通道高度和覆盖电介质厚度可获得更高的折射率灵敏度。总之,基于三维SRR阵列和微流通道的太赫兹超材料吸收体传感器具有更高的品质因数和折射率频率灵敏度,在无标记的快速生物医学传感中具有潜在的应...     

微谐振环结构体内太赫兹增强效应

基于严格电磁场理论,给出了微型谐振环形和Fishnet结构体内太赫兹波的严格表达式,并利用电磁场的边界条件分析了太赫兹波在微型谐振环形和Fishnet结构体内空间分布的增强效应。数值模拟结果表明：谐振环金属条附近的电场大于磁场,金属条附近的电场相对其他区域明显要强得多,开口处表现更为突出,太赫兹波在Fishnet结构体内电磁场的峰位处电场和磁场分布关于x对称;电场的极值出现在大十字架的上下四个角,而磁场的极值则出现在小十字架的上下两端点。同时用电磁场传输线理论对该现象作出一定的物理解释。收稿日期:; 修订日期:     

在太赫兹波段的开口共振环的不同开口形状对透过率频谱的影响

通过对不同开口形状的太赫兹(THz)波段共振环(SRR)的有限时域差分(FDTD)模拟,发现了SRR不同开口形状在发生共振时对开口间距的平均值具有相同的透过率频谱分布的均值效应;并且观察到了在开口边缘很尖的特殊条件下,SRR开口将出现导通现象.此结果可为今后SRR开口工艺设计与质量控制提供参考,也可为SRR工作机理的进一步分析研究提供有关的依据. 关键词： 太赫兹 开口共振环 开口形状 FDTD     

微谐振环结构体内太赫兹增强效应

基于严格电磁场理论,给出了微型谐振环形和Fishnet结构体内太赫兹波的严格表达式,并利用电磁场的边界条件分析了太赫兹波在微型谐振环形和Fishnet结构体内空间分布的增强效应。数值模拟结果表明:谐振环金属条附近的电场大于磁场,金属条附近的电场相对其他区域明显要强得多,开口处表现更为突出,太赫兹波在Fishnet结构体内电磁场的峰位处电场和磁场分布关于x对称;电场的极值出现在大十字架的上下四个角,而磁场的极值则出现在小十字架的上下两端点。同时用电磁场传输线理论对该现象作出一定的物理解释。收稿日期:; 修订日期:     

一种基于金属开口谐振环和杆阵列的左手材料宽带吸收器

用数值仿真在微波X波段研究了金属开口谐振环和杆阵列这一最基本的谐振结构.通过合理的参数调节,这种结构在10.91GHz附近可以表现出高达98%的吸收率,并且半高峰宽达到3.5GHz.用散射参量提取法计算其有效电磁参数,发现在谐振频率附近其介电常数、磁导率和折射率的实部均为负值.相比于传统的左手材料,这种结构的电磁参数在谐振区域均具有较大的虚部,是形成高吸收率的根本原因.本文的左手材料吸收器在电磁加热、电磁隐身等领域具有许多潜在的应用.     

基于铁氧体基板的开口谐振环的可调微波左手特性研究

利用铁氧体的外场调制特性,提出采用铁氧体作为金属环线结构的介质基板,实现频率可调左手材料. 首先采用时域差分有限元方法数值模拟了基板材料参数变化的条件下,开口谐振环的频率可调性规律. 随基板材料的介电常数或磁导率升高,与开口谐振环负磁导率对应的透射谷频率将显著降低. 实验制备了一系列超高频软磁六角铁氧体,利用外加磁场有效调制了其磁导率. 并通过实验表明,通过调控外加磁场可以有效地调控开口谐振环负磁导率对应的透射谷频率. 关键词： 左手材料 开口谐振环 铁氧体 可调     

垂直入射条件下金属环的谐振特性

本文研究垂直入射条件下水平极化和垂直极化时金属开口谐振环(split ring resonator, SRR)的电磁响应行为. 通过分析这两种情况下的透射系数、介电常数和磁导率, 发现垂直极化时, SRR可以产生电谐振实现负介电常数, 其频段远高于磁谐振频段; 水平极化时, SRR只能产生磁谐振实现负磁导率, 其频段与水平入射时的SRR的磁谐振频段相对应. 通过仿真对此进行了证明, 并对产生电谐振和磁谐振的原因进行了分析.     

基于谐振环的太赫兹宽带偏振转换器件研究

提出了一个基于谐振环结构的宽带且高效的太赫兹线偏振转换器.该结构由金属-电介质-金属三层构成,位于顶层的是基于开口谐振环的超表面,中间为介质层,底部为金属板.实验结果表明,该结构可以在0.59-1.24 THz频率范围内将线偏振的太赫兹波偏振方向旋转90°,转换率超过80%.通过计算该结构在所研究的频率范围内反射光的偏振角和椭圆角,证实了该结构可以在较宽的频率范围内实现高效的线偏振转换.对该结构在偏振转换率高的频率下表面电流和电场进行仿真,分析了高偏振转换率和宽带的机理.同时,研究了该结构的偏振转换率对入射角以及偏振角的依赖性,结果表明该结构在0°-30°入射角范围内、-10°-10°偏振角范围内均有很好的偏振转换性能.     

基于双环开口谐振环对的平面周期结构左手超材料

通过理论分析和实验仿真,研究了用双环开口谐振环对（double split-ring resonator pairs,DSRRP）实现平面左手超材料的原理,用等效电路理论解释并描述了其负介电常数和负磁导率的产生机理,并对DSRRP在3维左手超材料设计的应用进行了探索性研究.结果表明,DSRRP可以实现小尺寸的平面左手超材料,此外,DSRRP还可以作为用以实现3维左手超材料负磁导率的3维各向异性磁超材料. 关键词： 双环开口谐振环对 平面左手超材料 3维磁超材料     

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。     

基于双开口环结构的太赫兹超材料生物传感器

为了拓展超材料在太赫兹波段的生物传感应用,设计了一种双开口环结构的太赫兹超材料生物传感器,通过两个等效电容电感(LC)谐振实现了高折射率灵敏度传感。首先,使用有限积分技术(FIT)数值计算了该传感器的太赫兹光谱,并对其进行了结构尺寸优化。然后,在传感器表面放置了一层折射率可变的分析物,通过对不同透射光谱的计算分析,验证了该传感器具备161.06 GHz/RIU(RIU为折射率单位)的折射率灵敏度和1.98的品质因素(FOM)值。最后,采用传统光刻技术和剥离工艺在石英衬底上制作铜金属结构,制备了该传感器,利用其对牛血清白蛋白(BSA)溶液进行了实际测试,实验得到传感灵敏度为59.02 GHz/(ng·mm^-2)和检测下限为0.004 mg/mL。     

谐振频率可调的环状开口谐振器结构及其效应

理论和实验研究表明，开口谐振环(SRRs)中可以激励磁谐振从而实现负磁导率.通过在SRRs结构中引入与其开口边平行的金属短杆设计并制备了新的磁谐振单元，采用波导法系统研究了短杆对SRRs和左手材料的微波透射特性以及左手效应的影响.实验和数值模拟表明：金属短杆和SRRs开口边形成附加电容，导致SRRs开口电容增大从而引起谐振频率降低.随短杆长度l和短杆与SRRs间距d的增大，SRRs谐振频率也随之减小和增加.短杆的加入不影响SRRs的负磁导率特性，改变短杆与SRRs间距d< 关键词： 开口谐振环 金属短杆 调控 左手材料     

超薄金属膜在太赫兹波段的光学特性研究

超薄金属膜在太赫兹波段的探测器、反射镜、波导器件以及太赫兹量子级联激光器中得到了广泛应用。超薄金属膜的光学常数不仅是这些器件设计中不可缺少的参数,而且是开发新型光电材料的一个重要依据。文章运用太赫兹差分时域光谱技术对超薄金属铬、镍和钛膜的光学特性研究,获得其在太赫兹波段的折射率和消光系数,并根据菲涅尔公式计算入射介质为高阻GaAs时,GaAs/Metal界面的反射谱,三种金属在0.3～1.5THz的波段范围内的平均反射率均超过80%。研究超薄金属膜在太赫兹波段的反射特性,为设计性能优良的太赫兹辐射源、探测器及太赫兹光学元件奠定基础。     

由同时具有磁谐振和电谐振结构组成的左手材料

为了在同一结构中同时实现负介电常数和负磁导率(双负),采用一种“巨”字形结构,利用丝网印刷技术在氧化铝基板上进行加工制作,并通过仿真和实验测试证实了这种结构的“双负”特性. 与利用磁谐振器和电谐振器组阵实现左手材料的方法相比,这种单一结构可以同时实现负介电常数和负磁导率,制作方便,等效电路简单,双负频段较宽. 利用丝网印刷技术进行样品的制作,工艺简单,成本低廉. 关键词： 左手材料 磁谐振 电谐振     

磷化铟(InP)在太赫兹波段的特性研究

太赫兹(THz)时域光谱(TDS)技术,能同时测量幅值和相位信息,因而能检测到物质丰富的物理化学性质,已逐渐成为科学界一大热点。磷化铟(InP)因其载流子寿命短、质量小等优良性能,正逐渐成为产生和检测THz波辐射的首选光电导材料之一。文章利用THz-TDS测试技术,在室温氮气环境中,对n型0.35 Ω·cm的InP材料在0.2～4 THz波段的特性进行了研究。文章根据物理传输模型,利用更准确的迭代方式,选用新的初始值,更快更准确的得到了复折射率,介电常数,电导率等THz光学常数,并且用Drude模型进行了理论上的模拟计算,所得结果与实验吻合很好,最后还得到了载流子的寿命、迁移率和浓度等THz重要参数。     

射电天文用太赫兹三通带频率选择表面设计

本文设计一种基于单屏改进型开口谐振环(SRR)的太赫兹频率选择表面(FSS). 改进型 SRR 谐振单元由具有开口缝的金属贴片组成, 开口缝的物理尺寸会影响其阶跃特征阻抗特性. 本文通过对改进型 SRR 单元结构建立LC等效电路模型, 提取等效电路模型参数, 并结合传输线理论, 得到 FSS 的基频计算公式和谐波关系式. 相比于传统均匀 SRR, 本文所提出的改进型 SRR 多频带传输的控制更为灵活. 基于此特点, 设计了一款中心频率依次为 0.46 THz, 0.86 THz和 1.03 THz, 可应用于射电天文的三通带太赫兹 FSS. 采用电磁仿真软件对影响该 FSS 传输特性的关键参数、周期间隔、小型化程度以及入射角敏感性等重要指标进行分析研究. 结果表明, 改进型 SRR 三通带 FSS 在三个通带内的反射系数分别为 -37.6 dB, -13 dB和 -19.6 dB, 在0°–60° 范围内均具有稳定的频率响应特性, 且具有小型化程度高、损耗低等特点. 这种三通带 FSS 在太赫兹频段射电天文方面有潜在的应用价值.     

应用太赫兹焦平面成像方法研究氧化镁晶体在太赫兹波段的双折射特性

高效可集成太赫兹波片和偏振片是重要的太赫兹光学元器件.由传统的石英晶体及液晶等材料制作的太赫兹波片和偏振片由于其对太赫兹光响应度低并难于集成而难以应用于太赫兹集成光学领域.为了寻找用以制备高效可集成太赫兹偏振元件的材料,本工作应用太赫兹焦平面成像方法研究了晶向的氧化镁晶体对太赫兹波段圆偏振光偏振态的影响.通过实验观察到氧化镁晶体可以使入射的圆偏振光转化成为线偏振光.为了进一步验证氧化镁晶体对太赫兹光相位的影响,还应用透射式太赫兹时域光谱系统测量了氧化镁晶体在太赫兹波段的寻常光和非寻常光的折射率.通过对比氧化镁晶体中寻常光和非寻常光的位相差,证明氧化镁晶体在太赫兹焦平面成像实验中起到了1/4波片的作用.这一结果表明氧化镁晶体是一种制备太赫兹频段可集成波片及其相关偏振器件的重要材料.