偏振选择可调谐双带太赫兹吸收器

提出并研究了一种偏振选择可调谐双带太赫兹吸收器。吸收器由顶层方形劈裂石墨烯环、中间SiO₂介质层以及底层金反射层组成。基于时域有限差分法的仿真结果显示,该吸收器在不同偏振光入射下均可以实现双带高效率吸收。x偏振光时在7.86和12.63THz处的吸收率分别为97.9%和91.2%;y偏振光时在6.30和10.52THz处的吸收率分别为94.1%和93.2%。通过改变石墨烯费米能级,可以对两个偏振的双带吸收峰波长进行调谐。此外,研究了介质层厚度和石墨烯劈裂环的物理参数对共振吸收峰的影响。因为在两个偏振状态下都能产生双带高吸收,所以此吸收器在太赫兹偏振成像、太赫兹传感、选择性光谱检测和偏振复用等领域有重要的潜在应用价值。     

复合石墨烯/硅半球的宽带太赫兹超材料吸收器

提出了一种性能可调的宽带、极化与入射角不敏感的超材料太赫兹吸收器,该吸收器自上而下分为四层结构,分别是:硅半椭球/半球体复合结构、连续石墨烯层、PDMS介质层和金属背板。通过在TE波垂直入射条件下仿真,在已知结果基础上,对不同石墨烯化学势和不同结构条件下的电场结果分析表明,在硅半椭球/半球体亚波长复合结构所形成的连续、多模法布里-珀罗共振,以及由石墨烯所激发的多个离散的等离子体共振的协同作用下,其吸收光谱得到平滑和扩展,使该结构可实现吸收率宽范围可调,以及接近100%吸收率的宽频带吸收特性。特别的,当石墨烯化学势分别为0.2与0.9 eV时,其分别可获得约5.7 THz与7 THz的宽带太赫兹波吸收（吸收率超过90％）,且其最大吸收率接近完美吸收（约99.8％）。此外,该结构还具有360°极化不敏感和高于60°的入射角不敏感等优异特性,在以上角度范围内,吸收器吸收率仍可保持到90%以上。在太赫兹波探测、光谱成像以及隐身技术等方面具有潜在的应用前景。     

基于Au/VO2纳米结构的可调控红外吸收器设计

设计了一种Au/VO_2周期性方形孔洞阵列结构的红外吸收器,利用时域有限差分法研究了吸收器的结构参数对吸收光谱的影响,优选出VO_2和Au膜层厚度分别为140 nm和80 nm,孔洞边长和阵列周期分别为1.1μm和1.2μm时,吸收可调控特性最为明显,在2.3μm处其高低温的吸收率差值可达80.3%.理论模拟计算了光以不同偏振、入射角入射时的吸收,结果表明,正入射时吸收器是偏振无关的;斜入射时吸收器具有广角吸收的特点,与TM偏振相比TE偏振下吸收器具有更强的角度依赖性.低温时吸收器中的电磁场呈高度局域化分布,表现为强的吸收;而高温时吸收器中的电磁场分布在吸收器表面,吸收被抑制.所设计的吸收器吸收效率高,吸收强度可以调控,可应用于新型可调控智能光电器件.     

可调控太赫兹吸收器调制方法

设计了一种窗棂夕阳图案太赫兹超材料吸收器。利用这种图形,从超材料太赫兹吸收器结构出发,分别通过改变顶层图案几何尺寸、中间层电介质厚度、顶层图案开口处的硅电导变化率等,设计可调控太赫兹波双频、三频、四频吸收器。重点分析了顶层图案开口处的硅电导率变化的可调控太赫兹波双频吸收器机理,其低频吸收峰吸收率由68. 7%增至99. 9%,同时低频吸收峰频率1. 043 THz红移至1. 005 THz,产生38 GHz偏移,可以实现连续频率调谐。并提出进一步深入研究本课题的建议。     

基于二氧化钒的可调宽带太赫兹完美吸收器设计

本文设计了一种可动态调节的宽频太赫兹完美吸收器,该吸收器由十字形的二氧化钒层、金属接地平面和夹在中间的二氧化硅层组成.仿真结果表明,90％以上的吸收带宽为1.06 THz,范围为0.71～1.77 THz.吸收率随二氧化钒电导率的变化而变化,可在4％～99.5％之间动态调节.为了得到吸收器工作的物理机理,引入了阻抗匹配理论和波干涉理论,并通过电场分布分析了两个完美吸收峰的物理来源.该吸收器具有广角吸收和偏振不敏感的特点.该吸收器可以用于太赫兹传感器、探测器和隐身装备等.     

基于二氧化钒相变材料的光电器件激光防护研究

随着激光致盲武器的快速发展，与之对应的激光致盲防护技术逐渐成为了一项重要的研究。相变材料二氧化钒(VO₂)因在合适的热、光、场等激励下发生半导体相与金属相的可逆相变导致光学和电学特性的显著变化而受到激光防护领域的持续关注。使用Drude-Lorentz模型对VO₂的光学常数进行了研究，针对单层二氧化钒在半导体相红外透过率不够高的问题进行了多层膜设计和优化，并实际制作了多层膜系。使用激光器与傅里叶红外光谱仪测试制备的VO₂薄膜，得到了薄膜的相变与防护效果等性能，验证了VO₂良好的激光致盲防护性能，实际测试表明半导体相的透过率大于92%，相变前后多层膜系的红外开关率超过98%。     

基于W-SiO2双金属陶瓷结构的高效率太阳能选择性吸收薄膜的优化和制备

理论优化并成功制备了一种以W-SiO₂双金属陶瓷作为吸收层的太阳能选择性吸收薄膜,同时提高了薄膜在太阳辐射波段的吸收并降低了在红外波段的热辐射。研究了包括金属反射层材料、吸收层金属体积分数等因素对薄膜整体吸收效率的影响。基于对Si和K9玻璃基底上生长的不同金属体积分数的W-SiO₂陶瓷薄膜光学常数的研究,利用磁控溅射方法制备出如下膜系：W （~150 nm） / W-SiO₂ （94 nm, 0.67HVF） / W-SiO₂ （34 nm, 0.27LVF） / SiO₂ （47 nm）。膜系实际测量结果与仿真结果完全吻合,在250～1 500 nm宽光谱波段实现了高达95.3%的吸收率,并且在600 K温度下达到0.124的低热辐射率。该四层膜系结构简单,易于制备,有很强的实际应用前景。     

基于偏振不敏感超材料的全光可调谐太赫兹慢光效应研究

太赫兹(terahertz,THz) 慢光效应可以有效地提升THz脉冲数据传输的安全性和存储性,而一般THz慢光器件对入射THz波偏振态变化敏感。本文设计了一种超材料结构,其微结构单元由一个十字型谐振器和4个U型谐振器构成。研究表明:基于超材料的THz慢光效应对线偏振光和圆偏振光均不敏感。通过对超材料结构的参数优化,获得到了最大群折射率为1 618的慢光效应。另外,本文在超材料微结构层和SiO₂衬底之间嵌入了一层二硫化钼(MoS₂)薄膜,当MoS₂的载流子浓度从1.7×10¹⁷ cm-3增大到5.1×10¹⁹ cm-3时,群折射率从1 566减小到26。实现了偏振不敏感全光可调谐的THz慢光效应。该研究有望为偏振不敏感和全光可调谐的THz慢光器件设计提供崭新的研究思路。     

基于石墨烯超材料的三频段可调谐完美吸收器

为进一步降低太赫兹频率下高性能调控器件的结构复杂度,提出一种三频段可调谐超材料完美吸收器. 该吸收器由图案化的石墨烯层和经Si介质层隔开的Au接地平面组成,利用太赫兹下的石墨烯表面等离子体共振以及图案化石墨烯与电场耦合提供的电偶极子共振形成多个吸收峰. 数值仿真结果表明,在0.489 THz、1.492 THz和2.437 THz处实现了对入射波的共振吸收,各峰值处的幅值均大于99.9%. 由于吸收峰处的幅值可以通过外部施加的偏置电压改变石墨烯的费米能级进行控制,因而所提出的吸收器结构的工作状态可在反射器和吸收器之间灵活切换. 同时,通过对吸收器单元结构的对称设计实现了对极化角度的不敏感特性,且在宽入射角范围内仍能保持良好的吸收性能. 因此,所设计的基于石墨烯的太赫兹超材料功能器件在调制和传感方面具有巨大的潜力.     

基于超材料的太赫兹超窄带吸收器设计及特性分析

提出了一种基于金属环结构的太赫兹超窄带吸收器,其结构单元为典型的金属-介质-金属结构,顶层金属图案由封闭金属环和四开口金属环组成,底层为连续金属板。对该吸收器的窄带吸收原理和吸收峰频率处吸收器结构的表面电流分布进行了研究。结果表明:该吸收器在1.7682THz处存在狭窄的吸收峰,吸收率为99.8%,相对于该谐振频率的半高全宽为0.51%,而且对x和y极化入射波具有极化不敏感。该吸收器具有结构简单、易于加工的优点,在生物传感、窄带热辐射和光电探测等领域有着重要的潜在应用价值。     

一种基于二氧化钒材料的可调谐吸波器设计

为了在THz波段获得TE波下的可调谐吸收频谱, 采用全波仿真的方法, 设计了一款基于二氧化钒材料的可调谐THz吸波器, 对该吸波器的吸收频谱、电场图、表面电流图以及能量损耗图进行分析, 并讨论了结构参量h₄, k以及入射角度θ对吸收频域和吸收带宽的影响。结果表明, 通过外部温控的方式改变二氧化钒谐振单元的物理特性可以获得可调谐的吸收频谱并改善吸波器的吸收性能, 该吸波器在温度T≥68℃时, 可以实现在2.70THz~3.36THz频段的宽带吸收(吸收率在90%以上), 相对带宽达到21.8%;在T＜68℃时, 可以实现多个单频点的吸收; 改变结构参量h₄, k可以改变吸收频点的位置以及吸收带宽, 改变入射角度θ可以影响吸波器的吸收效果。该研究对可调谐太赫兹器件的进一步探究是有帮助的。     

基于VO2圆环结构的温控宽带超材料吸波器

设计了一种基于不同半径的二氧化钒（VO₂）圆环加载于介质层上的宽带可调超材料吸波器,利用VO₂随温度变化的相变特性,实现了外部温度对吸收曲线的动态调节.通过仿真计算表明,该吸波器在外部温度为350K时在8.09~11.23THz带宽范围内吸收率可达90%以上,表现出高吸收特性;而外部温度为300K时在相同频段内吸收率始终低于20%,从而实现了对电磁波吸收的可调功能.进一步对吸波器的等效阻抗和电场分布进行分析讨论,阐明VO₂对吸收性能的调节机制.此外,文章讨论了结构参数、偏振角以及入射角对吸收的影响.其结果表明,合理选择结构参数可实现吸收性能与偏振角、入射角的无关性.本文的结论对于设计其它类型的超宽带可调吸波器具有重要的指导意义.     

基于多层结构的偏振不敏感超材料太赫兹宽带吸收器

为了解决宽带吸收器结构设计复杂的问题,提出了 一种结构简单、偏振不敏感、吸收性能优良的超材料太赫兹宽带吸收器.该吸收器采用对称结构设计,以金属层-介质层-金属层的三层架构为基础.其中,介质层中嵌入了两个不同尺寸的圆形金属片,从而形成多层结构.采用频域有限元法(Frequency Domain Finite Elemen...     

双频段太赫兹超材料吸波体的设计及传感特性研究

提出了一种基于不同半径金属圆环加载于介质层的新型太赫兹超材料吸波体,实现了双频段的完美吸收和偏振不敏感性,且具备宽角度入射时可达到良好吸收的性能。仿真结果表明,该吸波体在f1 = 2.335 THz 和f2 = 4.215 THz 均可实现完美吸收,吸收率高达99. 99%;当入射角度达到70°时吸收率仍能保持80%以上。进一步分析可知,两个吸收峰分别由半径不同的金属圆环谐振产生,故而吸收峰的谐振频率可以通过调节圆环的半径进行单独调制。此外,还研究了该吸波体在介电传感和厚度传感两方面的应用。结果表明该吸波体对介电常数小于10的物质具有较好的传感性能,且吸收峰f2 的灵敏度较高;而应用于厚度传感时,吸收峰f1 的稳定性更适宜。研究结论对于设计新型超材料吸波体及其在传感中的应用具有重要意义。     

基于石墨烯的太赫兹透明吸波器设计

透明太赫兹吸波器既可在太赫兹波段实现吸波功能,又对可见光透明,隐蔽性高,因此其在电磁隐形等领域具有广泛应用。文中设计了一种基于石墨烯的太赫兹双频吸波器,它由方形加枝节的石墨烯上层宽带吸波结构和石墨烯-ITO 嵌套形下层窄带吸收结构构成,实现了独立可调的双频吸波功能。经仿真调试,该吸波器能够通过改变石墨烯费米能,分别在1.98~3.64 THz 范围内调节实现90%以上宽频带吸收率和在4.6~4.9 THz 范围内调节实现96%以上吸收率。经验证,该吸波器具有极化不敏感、宽入射范围等优点。     

二氧化钒材料相变的太赫兹光谱与阵列成像

二氧化钒是一种具有绝缘态到金属态可逆相变特性的材料,在光器件及信息技术中有非常广泛的应用。分别采用太赫兹频段的光谱测量技术和阵列成像技术研究分析了硅基二氧化钒材料的相变过程。采用傅里叶变换光谱测量系统,获得了整个样品在2.5~20.0 THz频段透射谱和反射谱随温度的变化,分析得到了硅基二氧化钒材料相变的温度范围为334~341 K,对应温差为7 K;得到了相变前后样品对4.3 THz辐射的透过率变化达40%以上,反射率变化接近30%。随后采用一套4.3 THz的阵列成像系统,测量了整个样品在相变前后的太赫兹图像,获得了该材料由金属态转变为绝缘态时,其对4.3 THz激光信号的透过率由6.7%升至50.7%,透过率变化达44%,与傅里叶变换光谱在4.3 THz处的测量结果相当。上述研究结果为硅基二氧化钒材料用于2.5 THz以上电磁辐射的透射调制和反射调制提供了很好的实验数据支撑。     

基于石墨烯超材料的宽频带可调太赫兹吸波体

基于二维材料石墨烯,设计了一款宽频带可调谐超材料太赫兹吸波体。该吸波体由三层结构组成,顶层为石墨烯超材料,中间层为二氧化硅,底层为金属薄膜。仿真结果表明,当石墨烯的费米能级为0.7 eV时,该吸波体在1.11~2.61 THz频率范围内吸收率超过90%,相对吸收带宽为80.6%。当石墨烯的费米能级从0 eV增大到0.7 eV时,该吸波体器件的峰值吸收率可以从20.32%增大到98.56%。此外,该吸波体器件还具有极化不敏感和广角吸收的特性。因此,它在太赫兹波段的热成像、热探测、隐身技术等领域具有潜在的应用价值。     

A thermally tunable terahertz bandpass filter with insulator-metal phase transition of VO2 thin film

A terahertz bandpass filter with the sandwich structure consisting of thermally tunable vanadium dioxide （VO2） thin film, silica substrate and subwavelength rectangular Cu hole arrays is designed and theoretically analyzed. The results show that the transmittance of the filter can be actively tuned by controlling the temperature of VO2, the narrow band terahertz （THz） waves with the transmittance from 85.2% to 10.5% can be well selected at the frequency of 1.25 THz when the temperature changes from 50 ℃ to 80 ℃, and the maximum modulation depth of this terahertz bandpass fil- ter can achieve 74.7%.     

Design and Imaging Application of Room-Temperature Terahertz Detector with Micro-Bolometer Focal Plane Array

Room-temperature terahertz (THz) detectors indicate a great potential in the imaging application because of their real-time, compact bulk, and wide spectral band responding characteristics. THz detectors with different dimensions based on a micro-bridge structure have been designed and fabricated to get optimized micro-bolometer parameters from the test results of membrane deformation. A nanostructured titanium (Ti) thin film absorber is integrated in the micro-bridge structure of the VOx micro-bolometer by a combined process of magnetron sputtering and reactive ion etching (RIE), and its improvement of THz absorption is verified by an optical characteristics mesurement. Continuous-wave THz detection and imaging are demonstrated by using a 2.52 THz far infrared CO2 laser and a 320240 vanadium oxide micro-bolometer focal plane array with an optimized cell structure. With this detecting system, THz imaging of metal concealed in a wiping cloth and an envelope is demonstrated, respectively.