基于石墨烯-金属混合结构的可调超材料吸波体设计

利用石墨烯与金属相结合的方法提出了一种新型超材料吸波体结构,通过改变外加偏置电压来改变石墨烯的费米能级,在微波段分别实现了单频和宽频的振幅可调性,并阐述了其电磁吸波及振幅可调的机理。对单一频段下的超材料结构进行了模拟仿真,结果表明,当结构参数不变时,吸波体的吸收强度随石墨烯费米能级的增加而不断减小,最大调制深度达到了58.6%。当石墨烯费米能级为0eV时,吸波体的中心频率随结构参数的改变而改变。基于多吸收峰叠加扩展带宽的原理,利用不同尺寸单元的排列实现了宽频吸波的特性,并通过仿真模拟证明了该宽频吸波体具有振幅可调的性质。     

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.     

基于超材料结构的小型化可调滤波器

为了提高频谱资源的利用率,解决传统滤波器组体积大的问题,利用开口环结构的超材料具有高集成度的特性,设计了一款整体尺寸仅为15mm×20mm的滤波器.基于时域有限积分法分析了开口环结构滤波器的反射系数曲线与电磁参数之间的响应特性,通过在开口环缝隙处加载可调谐的二极管器件,实现了超材料滤波器在X波段(10.9~12GHz)的连续可调,扩展了滤波器的工作频带.该可调谐超材料滤波器的工作带宽达11.0%,通带内回波损耗最小值为32dB,插入损耗最大值为0.38dB,具有高集成度、宽频带、通带内选频特性良好的特点.     

基于声学超材料的低频可调吸收器

在当今社会,噪声污染已经成为人类健康的一大威胁,如何有效地控制和消除噪声污染一直是科研领域的一个重要话题.本文以开口环嵌套结构为模型,设计并制备了一种声学超材料.通过理论分析、数值模拟和实验测试,发现由于模型内部空腔的强烈耦合共振效应,该超材料可以在低频区域实现接近完美的吸声效应.此外,通过简单地绕轴旋转其内腔开口方向,即可改变该超材料的相对阻抗值,进而在较宽的频带范围内实现对吸收峰位置的可调控制.由于该超材料具有深亚波长的尺寸,因此非常有利于低频吸声器件的小型化和集成化,同时该模型也为宽带吸收器的设计奠定了基础.     

基于可调石墨烯超表面的宽角度动态波束控制

可调控超表面可用于动态控制空间波束的方向,具有很高的应用价值.石墨烯是一种可调的二维材料,它的电导率可以通过外加电压控制,利用这一特性可设计基于石墨烯的可调控超表面.超表面控制反射波束时的理论依据是广义的斯涅耳反射定律.反射角度可通过沿超表面的相位梯度进行控制.但是这种方法有局限性,当超表面单元固定时,反射角度只能取有限个离散的值.本文设计了基于石墨烯的可调超表面,并采用一种基于卷积运算定理的波束控制方法,实现了反射波角度的大范围动态控制.在1.75 THz垂直入射平面波激励下,反射角度可以从5?变化到70?,间隔小于10?.数值模拟结果与理论计算结果一致.     

基于石墨烯的宽带全光空间调制器

提出了单层石墨烯包裹微纳光纤的全光空间调制.石墨烯作为可饱和吸收体包裹在通过二氧化碳激光器加热制备的微纳光纤上,当信号光沿着微纳光纤传输时部分光将以倏逝场的形式沿着微纳光纤表面传递,并与石墨烯产生作用被吸收.同时将波长为808 nm的抽运光从空间垂直入射到石墨烯包裹的微纳光纤处,依据石墨烯的优先吸收特性,通过抽运光控制石墨烯对信号光的吸收,实现了宽带全光空间调制.在1095 nm波长处获得最大调制深度约为6 dB,调制带宽约为50 nm,调制速率约为1.5 kHz.空间全光调制器具有输出信号光“干净”的特点.与传统石墨烯微纳光纤全光调制器相比,输出端不需要对抽运光进行光学滤波而直接获得已调信号.该复合波导全光空间调制器以更为灵活、高效的方式打开了微纳超快信号处理的大门.     

超材料：石墨烯开口环

由石墨烯制成的开口环超材料可在远红外线下产生强烈的磁共振效应。这是由NikitasPapasimakis和来自英国南安普顿大学、西班牙马德里IQFR—CSIC（高等科学委员会）、     

基于石墨烯的高效复合波导调制器研究

提出了一种基于石墨烯的复合波导调制器,用严格的三维数值仿真结果展示了该调制器的工作状态。利用调制器狭缝中的表面等离激元对电磁波的强约束,增强了光与石墨烯间的相互作用,提高了调制器的调制性能,调制效率可达0.197dB·μm~(-1)。在调制器长度为15μm时,可实现调制深度为3dB的开关键控效应,此时的插入损耗为0.4dB,调制带宽可达1.85GHz。设计了与输入波导相连接的耦合器,在耦合器总长度仅为1μm的条件下,实现了86.6%的耦合效率。     

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%。     

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。     

基于深度学习的Fano共振超材料设计

本文提出了一种基于深度学习的超材料Fano共振设计方法,能够获得高Q共振的线宽、振幅和光谱位置特性。利用深度神经网络建立结构参数和透射谱曲线之间的映射,正向网络实现对透射谱的预测,逆向网络实现对高Q共振按需设计,设计过程中实现了低均方误差(MSE),训练集的均方误差为0.007。与传统方法需要耗时的逐个数值模拟相比,深度学习设计方法大大简化了设计过程,实现了高效、快速的设计目标。对Fano共振的设计也可推广应用到其它类型的超材料的自动逆向设计,显著提高了更复杂的超材料设计的可行性。     

方环结构的宽频可调超材料滤波器

采用微控制电路加载技术控制超材料的等效介电常数和等效磁导率在不同时间的空间分布形式,实现空间滤波器中心频率的可调.设计了一种方环缝隙结构超材料滤波器,单元结构尺寸为18.5mm×18.5mm,通过在单元结构上加载变容二极管实现X波段内的连续可调.当变容二极管电容值从0.15pF增大到0.70pF时,仿真结果表明滤波器的中心频率从11.8GHz逐渐减小到10.5GHz,工作带宽为16.3%(10.2~12.0GHz),通带内的回波损耗最小值为22dB,插入损耗最大值为0.6dB.测试结果表明滤波器的中心频率从11.7GHz逐渐减小到10.3GHz,工作带宽为17.2%(10.1~12.0GHz),且通带内的回波损耗最小值为25dB,插入损耗最大值为0.5dB.     

基于石墨烯的D型双芯光纤调制器

利用石墨烯独特的吸收特性以及双芯光纤两芯之间的耦合作用,提出并设计了一种基于石墨烯的D型双芯光纤(DTCF)调制器的结构,该结构结合了吸收调制和耦合调制的优势。仿真验证了结构的调制可行性,基于有限元法数值模拟分析了调制器传输模式、两纤芯半径、纤芯距、石墨烯层数、过渡层材料对调制器性能的影响,并通过性能优化最终实现了调制带宽为8.557GHz、消光比为67.64dB、半波电压为1.763V、调制深度为98.75%、插入损耗为1.4dB、调制器长度为3.07mm的高性能调制器。     

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.     

基于电吸收调制器的深度成像系统误差分析

建立了基于电吸收调制器(EAM)的深度成像系统数值模型.为定量描述时序误差对系统精度的影响推导了含尺度因子的测量误差公式,分析了光调制器参数、系统噪声和时序误差对测量误差的影响.结果表明,无时序误差时,测量值标准偏差与传感器阱中信号电子数的平方根成反比,与阱中背景电子数和信号电子数之比的平方根成正比;采用高调制速度和高消光比的EAM可以提高系统精度;随着时序偏移误差增加,系统精度将迅速下降且难以通过增加传感器阱中信号电子数的方式提升;如要求7 m处单幅深度图像精度小于1 cm,则需要传感器阱深大于等于300 Ke,时序的偏移误差小于等于±200 ps.     

基于偏置纳米线的石墨烯表面等离激元调制器

开发高性能的电光调制器对于构建片上光子回路非常重要.鉴于纳米线结构具备独特的电场横向束缚特点,设计一种基于纳米线的混合表面等离激元波导电光调制器,该调制器由偏置双硅纳米线、双石墨烯层以及置于双石墨烯层之间的银纳米线构成.利用二维时域有限差分算法计算分析结构参数对器件调制性能的影响.模拟结果表明,所设计的调制器在1550...     

基于可调超表面的激光散斑抑制方法

为抑制激光散斑现象,利用时间平均抑制散斑理论的基本思想,设计了一个具有高透射率、随机相位功能的超表面结构,并结合MEMS技术实现了微纳旋转载台的设计制造,实现了超小型的散斑抑制器件制造.实验结果显示激光散斑对比度可降低至2.63%,满足激光投影领域使用需求.该激光散斑抑制器件使用方法简单、能量利用率高、成本低且易于批量制造.     

基于石墨烯复合材料的近红外光驱动的柔性可调光栅

针对现有柔性可调光栅响应速度慢、功耗高而无法广泛应用的现状,提出一种基于石墨烯纳米片(graphene nanoplatelet, GNP)/聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane, PDMS)复合材料的近红外(near-infrared, NIR)光驱动可调谐柔性透射光栅结构。利用紫外线光刻技术制备出的光栅结构,实现了柔性透射光栅与石墨烯复合材料薄膜的一体化。在光功率密度为220 mW·cm-2的近红外光驱动下,GNP/PDMS薄膜的温度变化约为120℃,而且光栅在3 s内可实现2.7%的连续周期调谐。不同驱动频率下,光栅栅距变化规律基本相同,即光栅的光机械效应无显著的时间依赖性。     

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...     

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.