异向介质体内太赫兹波增强效应及谐振特性研究

基于开口谐振环(SRR)的电磁响应特性以及严格电磁场理论,研究了由开口谐振环结构构成的异向介质体内的太赫兹波增强效应及谐振行为。仿真模拟了谐振环结构体内电场、电场能量密度和能流量的空间分布,讨论了电场能量密度随入射太赫兹波频率的变化规律。此外,还分析了谐振环结构参数对异向介质的谐振特性及其太赫兹波增强效应的影响。研究结果表明,在开口谐振环结构的开口缝隙处存在显著的太赫兹波增强效应,不仅电场显著增强,而且还会出现电场能量密度极值,并且,谐振时的电场增强效应比非谐振时明显增大。此外,谐振频率和电场能量密度均会随着谐振环结构参数的变化而呈现明显变化。     

基于超材料的太赫兹幅度调制器设计

提出了一款基于超材料的太赫兹幅度调制器,其结构由开口"弓"形超材料结构、高电子迁移率晶体管、斜十字馈线和碳化硅衬底四部分构成."弓"形超材料结构开口处的连通和断开两种状态将对通过该结构的太赫兹波产生不同的响应.在开口处添加高电子迁移率晶体管可模拟开口连通和断开的效果.当对晶体管上的栅极不施加偏压时,超材料结构开口相当于导通,对太赫兹波透射系数高;当对晶体管上的栅极施加偏压时,超材料结构开口相当于断开,对太赫兹波透射系数低.仿真结果表明,在0.22 THz处,对晶体管栅极不施加偏压时,调制器的透射系数为0.579;对晶体管栅极施加偏压时,调制器的透射系数为0.040.通过公式计算得到其调制深度为93％,而且对x和y极化入射波具有不敏感的特性.同时,通过分析0.22 THz处的电场分布和表面电流分布研究了该太赫兹调制器的工作原理.所设计的太赫兹调制器具有调制深度高、结构简单和易于加工等特点,在太赫兹通信领域具有广阔的应用前景.     

InSb光电导太赫兹源材料性质及辐射场研究

为了研究锑化铟(InSb)半导体材料光电导太赫兹辐射过程,用数值计算方法分析材料内载流子迁移率和表面电流,以及不同性质抽运激光器对太赫兹波近场强度的影响,用宏观电磁场理论和微观半导体理论分析材料表面电流,比较了InSb和GaAs材料的太赫兹波功率谱曲线。结果表明,InSb材料载流子弛豫时间越长,载流子迁移率越大;表面电流与载流子寿命和弛豫时间成正比;宏观电磁场理论更适于分析表面电流;抽运激光饱和能量密度越大,太赫兹近场辐射强度越强;抽运激光脉冲宽度越短,太赫兹近场辐射强度越强;InSb光电导辐射太赫兹波功率比GaAs高。该结果为基于InSb光电导太赫兹辐射源的研究奠定了一定的基础。     

各向异性超材料中太赫兹波的偏振转换

各向异性超材料可以控制太赫兹波的偏振态,实现入射太赫兹波的偏振转换。为了获得非手性各向异性超材料的透射响应与本征偏振复透射系数的关系及其入射偏振依赖性,在太赫兹时域光谱系统中测量了等臂长L形结构超材料在不同偏振角下的正入射透射谱,获得并分析了透射太赫兹波的偏振转换率和偏振态,所得结果与基于琼斯矩阵和坐标变换计算的结果一致。在0.7 THz~1.3 THz频率范围内可实现约20%的偏振态能量转换效率。在L结构和双L结构的偏振转换透射谱中分别观察到了宽带响应和多频共振响应,表明结构改变对太赫兹波透过特性的敏感性和可操控性。所得到的结果可用于太赫兹功能器件的设计、表征和优化。     

基于超材料结构的高Q太赫兹滤波器

在半导体微纳工艺基础上研究了基于镜像非对称结构超材料太赫兹(THz)滤波器的性能。通过时域有限差分理论,模拟分析了滤波器工作频率下太赫兹电场强度和电流密度在微结构的分布,并阐述了微结构太赫兹波电磁共振的机理。基于太赫兹滤波器电磁损耗机制和微纳加工工艺条件,设计并优化器件开口环结构,使相邻开口环中产生电磁场的干涉相消,减少太赫兹辐射损耗,提高品质因子Q值。采用太赫兹时域光谱(THz-TDS)系统测试了滤波器的太赫兹透射特性,实验结果表明,在工作频率0.923 THz下,镜像非对称结构的平面太赫兹滤波器品质因子达到12.5。同时,研究了太赫兹电场方向对滤波器性能的影响。高Q太赫兹滤波器的研制为制备高速太赫兹电调制器等太赫兹器件提供了重要的实验依据。     

太赫兹超材料和超表面器件的研发与应用

太赫兹光电子学的兴起推动了太赫兹波产生、传输和探测3方面理论和器件的快速发展。通过调控亚波长金属结构与太赫兹波相互作用的特异光学响应,太赫兹超材料和超表面器件已在太赫兹光束整形、导波和调制方面显示了巨大的潜力和优势,并可能推动太赫兹光源和探测器的发展。进一步发展和丰富太赫兹超材料和超表面器件,也将对太赫兹波在传感、通信和雷达等应用方面产生有益影响。本文综述了首都师范大学超材料与器件课题组近年来在太赫兹波段开展的基于超材料和超表面材料的光谱调制器件、光场调制衍射光学元件和主动光学元件的工作,介绍了超材料与器件的基本物理理论以及相应的实验研究成果,希望能够推动超材料与超表面太赫兹调制器件的发展与应用。     

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。     

从远场到近场：太赫兹超表面波前调控

太赫兹是电磁波研究中的前沿热点之一，在通信、雷达、生物化学检测等方面有巨大的应用前景。人工电磁材料，特别是超表面的出现和发展，为太赫兹的高效波前控制提供了新的思路和方法。从太赫兹电磁场空间分布的角度出发，阐述了目前超表面在太赫兹波段波前调控的相关工作和方法，对比和讨论了太赫兹远场和近场波前调控的多类应用场景和调控方法，对太赫兹超表面波前调控的发展前景进行了展望，为研究太赫兹波前调控提供了新思路。     

太赫兹波段一维金属线栅的偏振特性研究

基于时域有限差分法(FDTD)对一维金属线栅结构在0.2～2.6THz波段的偏振特性进行了数值分析,研究了其结构参数如金属占空比、狭缝宽度以及线栅周期对相互垂直的两种偏振模式太赫兹波透射系数的影响。利用光刻和金属膜制备工艺,在1mm厚的高阻硅衬底上淀积了200nm厚的金膜,制成了一系列一维金属线栅结构。利用太赫兹时域光谱系统,实验测量了这些线栅结构的太赫兹透射特性,实验结果与模拟结果规律一致。结果表明:适当设计金属线栅周期,同时满足一定的金属占空比要求,其整体偏振和透射性能能够得到优化。金属线栅结构参数与其太赫兹偏振性能之间的关系为制造太赫兹偏振器提供了参考。     

基于光子混频连续太赫兹波的厚度检测

为了将光子混频的连续太赫兹波透射成像系统应用于样品厚度检测中,采用该系统获得的相位信息对样品进行了2维厚度测量。利用两个外腔半导体结构的激光器搭建了基于光子混频的连续太赫兹波透射成像系统,并利用X-Y 2维电动平移台放置样品进行点点扫描成像。该系统可同时获得样品的幅度信息和相位信息,在太赫兹波辐射频率0.47THz时,系统信噪比可达68dB。计算得出的厚度值与实际样品的厚度值最大相差0.02mm;另外还分析了平行平面样品干涉效应和样品不同透射强度对厚度测量的影响。结果表明,样品折射率越高,平行平面干涉效应对厚度测量影响越大;样品透射系数越大,测量精度也越高。当样品太赫兹波透射系数大于0.5时,厚度测量精度优于2.0%。     

Attenuation of terahertz transmission through rain

Based on the Marshall-Palmer,Weibull raindrop size distribution and Mie electromagnetic scattering model,the relationships of attenuation coefficient of terahertz(THz) atmospheric window waves with precipitation rate and temperature are studied.Furthermore,combined with the loss of electromagnetic wave transmission in free space,the attenuation of THz communication and the transmission of current mobile communication signals through rain are compared and analyzed.The results show that the attenuation coefficient of THz transmission is increased with increasing precipitation rate,the difference of attenuation coefficient at different THz window waves is small,and the maximum difference is about 3 dB.The rain attenuation of THz wave is first decreased and then increased with increasing temperature,but the temperature has little effect on it.The attenuation of THz wave through rain is much larger than that of mobile communication signal.     

太赫兹宽带非对称传输器件的研究

提出一款双层双L形太赫兹非对称传输器件,其结构单元由典型的金属-介质-金属结构组成,顶层为轴对称的双L形金属层,底层为中心对称的双L形金属层。在1.174~1.420THz范围内,当x极化波正向垂直入射时,该器件的非对称传输参数大于0.6,其中在1.207~1.377THz范围内非对称传输参数大于0.8,在1.334THz时非对称传输参数达到峰值0.859。最后,讨论了材料的选择和入射角度对器件非对称传输性能的影响。该非对称传输器件具有频带宽、非对称传输明显等特点,可用于太赫兹二极管、太赫兹开关等功能器件。     

太赫兹矩形波导与共面波导耦合结构设计

太赫兹（THz）波位于微波与红外光波之间,现有微波和光波段波导技术应用正在向THz波段拓展。但是,由于水汽对THz波的强吸收及制造工艺等原因,THz器件主要是平面结构,而THz源及其传输需要用矩形波导。因此,矩形波导与共面波导之间的转换结构成为决定元件和系统性能的关键部分。该设计利用脊波导进行阻抗匹配及电磁场模式转换,实现THz波矩形波导到共面波导的高效率耦合。结果表明,在0.2~0.4 THz频段内,该转换结构的传输系数(S₂₁)高于?3 dB,可以对THz电磁场进行高效率转换。该结果可用于太赫兹分子探测、太赫兹通信等领域,为0.2 THz以上太赫兹的模式转换提供了一种可行方案。     

Electromagnetic wave diffraction by lattices of magnetic nanowires and geometry and scale effects in the terahertz frequency range

The TEM wave diffraction by a periodic lattice of magnetic nanowires has been simulated mathematically in the terahertz frequency range. The computational algorithm based on autonomous blocks with virtual Floquet channels loaded by magnetic nanoinclusions has been developed and used to perform the electrodynamic analysis of the scattering matrix parameters constructed for a 2D periodic lattice of longitudinally magnetized ferromagnetic (iron) nanowires at a frequency of 30 THz. It is demonstrated that the maximum of the transmission coefficient of a TEM wave propagating through a ferromagnetic nanowire lattice can be controlled by the constant magnetizing field near the antiresonance point and depends on the geometry and dimensions of nanowires and the lattice.     

二氧化钛光子晶体波导的太赫兹波传输特性

本文应用时域有限差分法研究了二维二氧化钛光 子晶体波导的禁带范围和太赫兹波的 传输特性,分别设计了带隙宽度为0.226 THz 、0.2728 THz和0.316 THz的直线型、直角型和T 型二氧化钛光子晶体波导结构。研究发现,相比传统波导,本文设计的二维二氧化钛光子晶 体波导不仅在直线路径中有较高的太赫兹波传输效率,而且在转角的路径中也有很高的太赫 兹波传输效率。此研究结果为太赫兹器件的设计和制作提供重要理论依据,为高速宽带无线 通信系统的发展提供重要理论借鉴。     

Realization of band-pass and low-pass filters on a single chip in terahertz regime

In this paper, we present the design, simulation, fabrication and characterization of a terahertz(THz) filter based on metamaterial consisting of the periodical double symmetric splits ring resonator(DS-SRR) array. We can observe that the metamaterial-based filter possesses a band-pass transmission when the electrical field is along y direction, and it possesses a low-pass transmission when the electrical field is along x direction. Our results demonstrate that the proposed filter can realize the switching between band-pass effect and low-pass effect by only changing the polarization direction of the incident electromagnetic wave. Moreover, the calculated surface current distributions are also used to analyze the switchable mechanism of the THz metamatrial filter. Therefore, the proposed THz wave filter has a potential application in THz wave communication systems.     

太赫兹波段信号在雾中的传输特性研究

太赫兹（THz）波提供的通信带宽和容量远大于毫米波。与可见光和红外光相比,THz脉冲的波长较长,在随机介质中传播时,不但会发生时域和空域的形变,介质中的粒子还会对入射波发生散射,这些都会使得脉冲信号发生衰减。根据Mie理论与随机离散分布粒子的波传播与散射理论,计算了THz波信号入射下雾滴粒子的消光系数,分析了不同THz波波长下,雾滴粒子消光系数随粒子尺寸的变化。结合雾滴粒子谱分布,考虑粒子群的平均体系散射特性,得到了不同波长下的平均反照率与相函数。最后分析了THz波段信号在不同能见度雾中的传输特性。结果表明:大气环境中,雾对THz波产生的吸收和衰减不容忽视,不同THz信号的水的折射率虚部的变化严重影响了THz信号在雾中的传输。     

太赫兹波在砷化镓波导中的产生与传输

为提高太赫兹(THz)波的产生效率,研究了飞秒激光与GaAs 晶体的相互作用。首先研究了块状GaAs 晶体中泵浦光与THz 波间的相位匹配,结果显示泵浦光的群折射率曲线与THz 波的折射率曲线不存在交点,表明了块状晶体结构中相位失配问题的存在;然后设计了四种不同尺寸的波导结构,根据波导理论计算了波导结构在0.1~6 THz 波段的折射率,并结合波导的吸收和色散参数分析了THz 波在晶体中的最佳传输距离。研究结果表明,GaAs 波导结构能够有效增大泵浦光与THz 波的相位匹配程度,从而提高飞秒激光与晶体耦合过程中THz 波的产生效率。研究为基于飞秒激光与GaAs晶体相互作用的高效THz 产生技术提供了理论依据。     

太赫兹波段电磁超介质的应用及研究进展

太赫兹波和电磁超介质是电磁学领域关注的热点.太赫兹波与电磁超介质相互作用可以实现对太赫兹波的操纵和调控,有望填补"太赫兹空白".介绍了太赫兹波段电磁超介质的研究进展,包括电磁超介质电磁性能可调谐的实施途径,电磁超介质在太赫兹功能器件方面的应用(调制器/开关、传感器/探测器、滤波器、偏振元件和吸波器),太赫兹波段表面等离...