基于太赫兹等离激元的半导体表面生化薄膜光谱检测（英文）

提出了一种利用太赫兹表面等离激元对放置在半导体表面的生化薄膜进行光谱测量的新方法.从理论上证明了半导体材料对其传输的太赫兹表面等离子体波具有较强的表面束缚性,从而提高太赫兹波与半导体表面生化薄膜之间的相互作用.通过采用太赫兹时域光谱测量系统,从实验上分别得到了洋葱表皮的太赫兹表面等离子体波和自由空间太赫兹波透射波谱.实验结果表明,当测量对象是厚度仅为自由空间太赫兹波波长约1%的单层洋葱表皮时,表面等离子体波的透射波谱与自由空间太赫兹波透射波谱相比具有更加多的特征吸收峰.     

基于半导体等离子体频率光学调控的太赫兹波调制系统

介绍了一种太赫兹波光学调制系统,该系统首先通过刀片与半导体之间的狭缝实现太赫兹波和太赫兹表面等离子体波之间的耦合,然后通过改变照射到本征半导体表面的光强用以调控半导体表面的等离子体频率,使得半导体表面的等离子体频率在有光照和无光照条件下分别大于和小于其上传输的太赫兹表面等离子体波的频率,从而实现对在半导体表面传输的太赫兹表面等离子体波以及由其耦合出的太赫兹波的强度调控。该调制方法与传统方法相比具有调控频带宽、速度快、成本低、常温工作等优点,可用于太赫兹波通讯。仿真和实验结果进一步验证了该调制系统应用的可行性。     

金属亚波长狭缝阵列结构的太赫兹偏振透射特性研究

利用太赫兹时域光谱技术,研究了金属亚波长狭缝阵列结构的太赫兹透射特性。结果表明,太赫兹波会激发金属狭缝阵列结构的表面等离体波共振,表面等离子体共振产生太赫兹波段超强透射现象。由于表面等离子体共振效应,这种狭缝结构对于透射的太赫兹产生很高偏振度,这些实验结果为制作太赫兹波段偏振器件提供了有益的参考。     

基于光谱编码的太赫兹光谱测量新方法

为了提升太赫兹光谱分析的瞬时性和系统集成度，提出一种超表面光谱编码与计算重建相结合的太赫兹光谱测量方法。利用多种超表面结构的光谱编码器件对入射太赫兹波进行高随机光谱编码，并提出基于字典学习的稀疏恢复算法以实现光谱重建。理论计算和数值仿真表明，在4%噪声水平下，所提方法对乳糖透射光谱的重建误差小于3%，可为片上集成化太赫兹光谱仪的发展提供新途径。     

双层金属环形阵列的太赫兹表面等离子体研究

研究了太赫兹波垂直通过具有周期性亚波长环形空气槽阵列的金属-介质-金属三层结构的透射谱特性,以及与表面等离子体谐振的关系。共振模式电场分布与色散曲线分别表明:表面等离子体具有束缚性,表面电磁波的传输机制与能量流动过程,透射谱的两个共振峰与传播性的表面等离子体模式、局域化的表面等离子体模式及其耦合有关。改变结构的几何参数,其共振峰变化趋势进一步印证了以上观点,并且空气环中激发的准波导效应也影响了太赫兹波的传输。     

等离子体鞘套中太赫兹波传输特性研究

采用散射矩阵方法(SMM)研究太赫兹波在非磁化、非均匀等离子体鞘套中的传输特性。在假定等离子体电子密度分布为双指数分布条件下,对太赫兹波斜入射等离子体时的功率反射系数、透射系数及吸收系数进行了仿真,还对其随太赫兹波的入射角度、太赫兹波的频率、等离子体的碰撞频率、等离子体分布形态的变化规律进行了总结。研究结果表明,在上述条件下,太赫兹波在等离子体中均有较好的传输特性。总体上来说,随着太赫兹波频率的提高,太赫兹波在等离子体中的透射性更好,可以考虑提升载频至太赫兹波段来解决通信黑障问题。     

激波管等离子体中太赫兹波传输特性仿真与实验研究

研究了太赫兹波在透射波窗口封闭的激波管中的等离子体中的传输特性,获得了传输衰减量随等离子体电子密度、碰撞频率、透波窗口材料以及电磁波频率的变化规律,并比较了相同条件下毫米波的传输特性.利用激波管为实验平台模拟产生高速飞行器等离子体,开展了太赫兹波在等离子体中传输特性实验.结果表明,太赫兹波在相同电子密度和碰撞频率的等离子体中衰减量比毫米波小得多;随着等离子体碰撞频率的增加,太赫兹波传输衰减量先增加后减小,透波窗口增加了太赫兹波的传输衰减;随着窗口材料的介电常数增加,太赫兹波反射率增加,太赫兹波传输衰减曲线出现周期性振荡,振荡周期约5 GHz;太赫兹波通信可能作为一种解决再入飞行器黑障问题的有效技术途径.     

基于VO2相变的光控太赫兹调制器

基于VO2薄膜相变特性,通过在石英基底上制备VO2薄膜和亚波长金孔阵列,并在理论和实验上研究了金属孔阵列与VO2薄膜置于基底同侧和异侧的两种太赫兹(THz)调制器。系统研究了在光泵浦条件下两种样品的THz波的传输特性。结果表明,随着泵浦光功率的改变,两种结构的器件均可以实现对THz波强度的调制。对比分析两种结构器件的THz透射谱发现,紧邻金属孔阵列的金属相VO2能够有效地抑制THz表面等离子体的局域透射增强效应,使调制器的调制深度得到显著增强,这对基于相变材料调制器的设计具有重要意义。     

表面修饰的亚波长金属Cu狭缝结构透射特性研究

为了深入研究表面修饰余弦凹槽的亚波长结构对太赫兹波透射特性的调控规律,提出一种表面修饰余弦凹槽的太赫兹亚波长金属Cu狭缝结构,基于时域有限差分法,对亚波长金属Cu狭缝结构的太赫兹波透射光谱特性进行模拟。仿真结果表明,通过改变金属Cu狭缝结构上下表面余弦凹槽的结构排布、数量、周期、深度及狭缝深度、宽度等参量,实现了对太赫兹波透射强度的调控。     

二氧化钒复合薄膜太赫兹透射率模拟

二氧化钒(VO2)是一种具有可逆热致相变性质的材料,在太赫兹调制领域具有应用潜力。为了确认VO2复合薄膜对太赫兹调控的可行性,在进行相关实验之前,首先运用CST Studio Suite电磁仿真软件进行模拟研究,主要探究了VO2及其与金属光栅结合的复合薄膜的相关参数对太赫兹透射及调控的影响。仿真结果表明,VO2能很好地调控太赫兹的透射幅度,调控深度可由相变幅度控制。另外仿真发现,对VO2复合薄膜而言,通过控制光栅的参数变化可以改变太赫兹透射幅度,并且可以通过调控光栅周期实现对太赫兹调制深度控制。     

Recent advancements in surface plasmon polaritons-plasmonics in subwavelength structures in microwave and terahertz regimes

This paper presents a review of recent investigational studies on exciting Surface Plasmon Polaritons (SPPs) in MicroWave (MW) and TeraHertZ (THz) regimes by using subwavelength corrugated patterns on conductive or metal surfaces. This article also describes SPP Microstrip (MS) structures at microwave and terahertz frequencies, and compares their significance with that of conventional MS Transmission Lines (TL), in order to tackle the key challenges of high gain, bandwidth size, compactness, TL losses, and signal integrity in high-end electronic devices. Because they have subwavelength properties, surface plasmon polaritons are gaining attention for their improved performance and ability for miniaturization in high-speed dense circuits. They possess comparably minuscule wavelength compared to incident light (photons). Consequently, they can demonstrate stronger spatial confinement and higher local field intensity at optical frequencies. In addition to engineering spoof SPP waveguides, which are created by engraving grooves and slits on metal surfaces to allow operation on at low frequencies (microwave and terahertz), semiconductors with smaller permittivity values and thus lower free charge carrier concentration have been demonstrated as a potential candidate in plasmonic devices. If necessary, further tuning of semiconductor-based SPP structures is aided by controlling the charge carrier concentration through doping, or by external stimuli such as optical illumination or thermal excitation of charge carriers from valence to conduction bands. This article conclusively covers previously elucidated perspectives on manipulating SSPPs in the MW and THz ranges, and emphasizes how these could steer next-generation plasmonic devices.     

砷化镓类半导体材料在太赫兹波段的透射特性研究

首先给 出了利用光电导天线产生的太赫兹波的时域和频域光谱,进而,基于搭建的太赫 兹时域光谱系统, 并采用透射光谱法分别测量了砷化镓类型的三种半导体材料在太赫兹波段的透过率。结果表 明,基于光电导 天线产生的太赫兹波在0~2THz范围内,光谱比较稳定,频率带宽比 较宽;砷化镓半导体材料在0~2.0THz 范围内的透过率的变化相对较小,具有较高的透过率(>60%),并且 明显优于碲化锌以及碲化镉半导体 材料在太赫兹波段的透过率。因此,相比于碲化锌以及碲化镉半导体材料而言,砷化镓半导 体材料更适用于设计宽频带的太赫兹功能器件。     

太赫兹表面等离激元及其应用

金属或半导体与介质分界面上的电子与光子互作用形成的光学表面等离激元(SPP)以及人工超构材料或二维原子晶体材料表面上的电子与太赫兹波或微波互作用形成的人工表面等离激元(SSP)是小型化与集成化太赫兹有源/无源器件和太赫兹超分辨率成像的重要物理基础。随着太赫兹科学技术的发展,太赫兹表面等离激元研究在国际上受到很大关注。本文介绍了传统的光学表面等离激元及其发展,详细阐述了太赫兹波段的人工表面等离激元(SSP)和石墨烯表面等离激元(GSP)的基本原理和发展历程,对表面等离激元在太赫兹波段的新型辐射源、无源器件、超分辨率成像及其他领域的应用进行了较为全面的总结和评述,并对该领域未来进一步发展的方向进行了展望。     

基于太赫兹时域光谱技术的水蒸气传输特性研究

为了评估太赫兹波在空间通信、雷达、遥感等方面的潜在应用,需要研究太赫兹波在大气中的传输特性。由于0.1～2 THz的太赫兹波在大气中传输的主要衰减来自水蒸气,采用太赫兹时域光谱技术(THz Time-Domain Spectroscopy,THz-TDS),在2 m长的太赫兹传输行程中对不同湿度的空气进行了透射光谱测量,获得了水蒸气在0.1～2THz频率范围内的吸收谱、传输率和弱衰减窗口。     

Terahertz Focusing and Polarization Control in Large-Area Bias-Free Semiconductor Emitters

We show that, when large-area multiplex terahertz semiconductor emitters, that work on diffusion currents and Schottky potentials, are illuminated by ultrashort optical pulses they can radiate a directional electromagnetic terahertz pulse which is controlled by the angular spectrum of the incident optical beam. Using the lens that focuses the incident near-infrared pulse, we have demonstrated THz emission focusing in free space, at the same point where the optical radiation would focus. We investigated the beam waist and Gouy phase shift of the THz emission as a function of frequency. We also show that the polarization profile of the emitted THz can be tailored by the metallic patterning on the semiconductor, demonstrating radial polarization when a circular emitter design is used. Our techniques can be used for fast THz beam steering and mode control for efficiently coupling to waveguides without the need for THz lenses or parabolic mirrors.     

透射式金属光栅耦合SPR传感器

用磁控溅射技术在双面抛光的蓝宝石衬底上沉积了20 nm Ti和100 nm Au的金属薄膜,通过标准光刻工艺制备出1.6和2.0μm两种周期结构的一维光栅表面等离子体共振(SPR)传感器。用时域有限差分算法(FDTD)模拟仿真并结合实验测试的透射光谱,研究分析了不同周期结构的金属薄膜光栅型SPR传感器的特性。基于金属光栅耦合,利用表面等离子体激元(SPP)的局域特性和光栅的选频特性,实现了SPR传感器的信号增强和滤波功能。研究结果表明,利用金属薄膜光栅表面介质的变化引起的光栅透射光谱中激发表面等离子体共振峰的位置变化,可以获得被测物体的物理、生物和化学等相关特征信息。     

基于开口谐振环的多频太赫兹透射特性研究

通过在双层金属开圆孔阵列并嵌入对称开口谐振环结构,设计了一种新型金属-介质-金属透射增强结构.用电磁仿真软件对该结构的透射特性进行模拟,研究了单元结构的几何参数对透射峰的影响.结果表明:增加开口谐振环可以有效增加透射峰数量,实现了0.2～1.1 THz内的多频超强透射.根据透射峰处金属表面的场分布,透射峰与磁谐振、局域型表面等离子体、传播型表面等离子体、法布里-珀罗谐振及他们之间的杂化耦合有关.结果对深入研究超强透射特性及透射机理具有一定的指导意义,也为太赫兹微波器件设计和性能分析提供了重要参考.