基于超材料的可调谐的太赫兹波宽频吸收器

随着频谱资源的日益稀缺,太赫兹波技术在近十几年的时间里得到了越来越多的关注,并取得了巨大的进展.由于高吸收、超薄厚度、频率选择性和设计灵活性等优势,超材料吸收器在太赫兹波段备受关注.本文设计了一种"T"型结构的超材料太赫兹吸收器,同时获得了太赫兹多频吸收器和太赫兹波宽频可调谐吸收器.它们结构参数一致,唯一的区别是在太赫兹波宽频可调谐吸收器的顶端超材料层上添加了一块方形光敏硅.这种吸收器都是三层结构,均由金属基板、匹配电介质层以及顶端超材料层组成.仿真结果表明,太赫兹波多频吸收器拥有6个吸收率超过90%的吸收峰,其平均吸收率高达96.34%.而太赫兹波宽频可调谐吸收器通过改变硅电导率,可以控制吸收频带的存在与否,同时可以调整吸收峰的频率位置,使吸收峰频率在一个频带宽度大约为30 GHz的范围内调整.当硅的电导率为1600 S/m时,吸收率超过90%的频带宽度达到240 GHz,而且其峰值吸收率达到99.998%.     

基于纳米印刷技术的双螺旋太赫兹可调超表面

由人工构造超表面所制成的电磁器件能够实现太赫兹频段的滤波、调控、传感、探测等功能,对太赫兹波在通信、成像领域的应用至关重要.基于纳米印刷技术设计制备了一种柔性透明双螺旋超表面,并利用该超表面构建了一款太赫兹旋转可调滤波器,通过旋转超表面实现太赫兹波透射率的有规律调谐.在旋转90°后,0.52 THz处的透射率由8%增至67%,而0.92 THz处的透射率由68%降至3%,实现调制深度大于88%的主动调控.并且,所提出的纳米印刷超表面具有超薄、柔性、可见光透明的优良性质,有利于太赫兹可调器件的小型化、轻量化及大面积制备.     

太赫兹波段超材料的制作、设计及应用

本文从制作方法、结构设计和材料选择几方面综述了超材料在太赫兹波段的电磁响应特性和潜在应用。首先,介绍了获得不同维度、具有特异电磁响应以及结构可调超材料的各种微加工制作方法,进而分析和讨论了超材料的电磁响应特性。文中指出,结构设计可以控制超材料的电磁响应特性,如各向异性、双各向异性、偏振调制、多频响应、宽带响应、不对称透射、旋光性和超吸收等。超材料的电磁响应依赖于周围微环境的介电性质,因而可用于制作对环境敏感的传感器件。此外,电光、磁光、相变、温度敏感等功能材料的引入可以获得光场、电场、磁场、温度等主动控制的太赫兹功能器件。最后,简单介绍了超材料在太赫兹波段进一步发展所面临的机遇和挑战。     

基于圆台结构的超宽带极化不敏感太赫兹吸收器

本文提出一种基于圆台形吸收单元的超宽带、极化不敏感的超材料太赫兹吸收器. 该超材料吸收器采用金属薄膜金和介质层二氧化硅交替叠加的多层结构. 采用商业软件CST Studio Suite 2009时域求解器计算了其在0–10 THz波段内的吸收率A（ω）,在2–10 THz之间实现了对入射太赫兹波的超宽频带强吸收. 仿真结果表明,由于其圆台形单元结构,在器件垂直方向上形成一系列不同尺寸的微型吸收器,产生了吸收频点相连的多频吸收峰. 利用不同吸收峰的耦合叠加效应,获得超过8 THz的超宽带太赫兹波吸收,吸收强度达到92.3%以上. 这一结构具有超宽带强吸收,360°极化不敏感以及易于加工等优越特性,因而在太赫兹波探测器、光谱成像以及隐身技术方面具有潜在的应用. 关键词： 太赫兹波 超材料吸收器 圆台结构 超宽带     

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%。     

太赫兹人工电磁媒质研究进展

近年来, 随着太赫兹科学技术的发展, 越来越多的科学家向太赫兹间隙这一传统空白领域发起挑战. 其中, 人工电磁媒质因为能够设计太赫兹波段中紧缺的功能器件而受到广泛关注. 近年来, 对人工电磁媒质尤其是太赫兹方面的研究进展突飞猛进. 人工电磁媒质的性质不仅仅由其构成材料决定, 更与其结构单元的形状和空间排布密切相关. 本文介绍了人工电磁媒质在太赫兹波段的发展、原理、设计和应用, 并着重介绍完美吸波器和人工表面等离激元, 为太赫兹波段功能器件的研究提供了参考, 并对可能的发展方向予以展望.     

太赫兹液晶材料与器件研究进展

液晶是一种性能优异的可调控光电功能材料,基于液晶的太赫兹器件有着广泛的应用前景,但高性能太赫兹功能器件的研发仍处于初级阶段.本文综述了太赫兹领域液晶材料与器件的研究现状,探讨了液晶技术与太赫兹技术相结合的发展趋势.     

单壁碳纳米管太赫兹超表面窄带吸收及其传感特性

由于碳纳米管具有优异的电学和光学特性,因此在光电子学领域具有广泛的应用前景.本文使用真空抽滤法,将单壁碳纳米管粉末分散液通过真空过滤的方式,制备了一种各向同性的单壁碳纳米管薄膜;进而提取了薄膜在0.4—2.0 THz范围内介电参数,并设计了一种基于单壁碳纳米管薄膜的新型太赫兹超表面窄带吸收器,这种超表面吸收器是由方形与工字形狭缝谐振器构成.实验和仿真结果表明,提出的太赫兹超表面吸收器在0.65,0.85,1.16和1.31 THz处存在4个明显的共振吸收峰,实现了最高可达90%的完美吸收.利用多重反射干涉理论阐明了这种多频带新型太赫兹超表面的吸收机制.通过在超表面器件表面覆盖具有不同折射率的介质层,深入研究了超表面作为折射率传感器的传感性能.研究结果表明,这种新型超表面吸收器用于折射率传感具有较高的灵敏度,为进一步开发新型碳基太赫兹超表面吸收器提供了新的思路和方案.     

缺陷组合嵌入VO2薄膜结构的可调太赫兹吸收器

提出一种多缺陷组合嵌入VO2薄膜结构的可调太赫兹吸收器,它由上表面金属图案层、基体和底层金属板三层结构组成,在上表面和基体之间嵌入二氧化钒介质.计算结果表明在f=4.08 THz和f=4.33 THz两频点吸收率分别为99.8%和99.9%.通过改变外界环境温度可控制二氧化钒相变,从而使两个频点吸收率从99.8%变化到1.0%.改变入射角和偏振态,计算结果表明在入射角0°-40°,吸收器在TE和TM两种极化波下吸收率都能在98%以上.该太赫兹波吸收器具有高吸收、动态调谐、极化不敏感等特性,本文所设计的可调太赫兹吸收器在太赫兹波相关领域,例如探测器、开关、动态调制器、隐身技术等方面具有很好的应用前景.     

基于CiteSpace软件分析的太赫兹超材料器件研究

超材料具备天然材料没有的电磁性质,基于超材料的太赫兹(THz)功能器件在生物分子检测、医学成像、安全检查等领域都具有广泛的应用前景。采用CiteSpace软件对2016年—2023年web of science网站上有关太赫兹超材料功能器件的参考文献进行了可视化分析,综述了THz超材料功能器件的研究进展、热点领域,并对其发展前景进行了预测,从而为从事相关研究的工作人员提供借鉴。此次分析共检索到紧密相关文献2 159篇。论文从发表文献的国家、机构和作者贡献、被引次数和关键词聚类等多方面分别进行了分析和讨论。得到了最近几年THz超材料功能器件的研究领域,主要包括吸波器、滤波器、电磁诱导透明、调制器、非对称传输、波前调控、编码超表面、机器学习、生物传感和量子纠缠超表面等。研究发现在THz超材料功能器件领域,中国发文量占所有文章总数的50%以上,英国、中国、美国这三个国家的影响力最高。通过对科研机构的合作网络分析,发现发文量排名前十位的科研机构均是中国单位,其中天津大学发文量占据第一位。通过对论文作者的共现分析和共被引分析,可以分别统计出作者的发文数量和影响力。为进一步研究THz超材料功能器件...     

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.     

基于石墨烯互补超表面的可调谐太赫兹吸波体

通过在石墨烯超表面设计周期性切条,实现了基于石墨烯互补超表面的可调谐太赫兹吸波体.通过改变外加电压来改变石墨烯的费米能级,吸波体实现频率可调谐特性.研究了石墨烯费米能级、结构尺寸对超材料吸波体吸收特性的影响,并利用多重反射理论研究了其物理机理并且证明了模拟方法的可行性.研究结果表明:当石墨烯费米能级取0.6 eV,基底厚度13μm,石墨烯上切条长宽分别为2.9μm,0.1μm时,吸波体在1.865 THz可以实现99.9%的完美吸收;石墨烯费米能级从0.4 eV增大到0.9 eV,吸波体共振频率从1.596 THz蓝移到2.168 THz,且伴随共振吸收率的改变,吸收率在0.6 eV时达到最大;通过改变费米能级实现的最大吸收率调制度达84.55%.     

Dynamically controlled asymmetric transmission of linearly polarized waves in VO2-integrated Dirac semimetal metamaterials

We numerically demonstrated a novel chiral metamaterial to achieve broadband asymmetric transmission (AT) of linearly polarized electromagnetic waves in terahertz (THz) band. The proposed metamaterial unit cell exhibits no rotational symmetry with vanadium dioxide (VO$_{2}$) inclusion embedded between Dirac semimetals (DSMs) pattern. The resonant frequency of AT can be dynamically tunable by varying the Fermi energy ($E_{\rm F}$) of the DSMs. The insulator-to-metal phase transition of VO$_{2}$ enables the amplitude of the AT to be dynamically tailored. The transmission coefficient $|T_{yx}|$ can be adjusted from 0.756 to nearly 0 by modifying the conductivity of VO$_{2}$. Meanwhile, the AT parameter intensity of linearly polarized incidence can be actively controlled from 0.55 to almost 0, leading to a switch for AT. When VO$_{2}$ is in its insulator state, the proposed device achieves broadband AT parameter greater than 0.5 from 1.21 THz to 1.80 THz with a bandwidth of 0.59 THz. When the incident wave propagates along the backward ($-z$) direction, the cross-polarized transmission $|T_{yx}|$ reaches a peak value 0.756 at 1.32 THz, whereas the value of $|T_{xy}|$ well below 0.157 in the concerned frequency. On the other hand, the co-polarized transmission $|T_{xx}|$ and $|T_{yy}|$ remained equal in the whole frequency range. This work provides a novel approach in developing broadband, tunable, as well as switchable AT electromagnetic devices.     

基于二氧化钒宽、窄带可切换的双功能超材料吸收器研究

本文提出了一种宽、窄带可切换的双功能超材料吸收器.在超材料吸收器的结构中,引入了相变材料二氧化钒(VO2),仅利用单个可切换超表面就能实现不同的功能,其不同功能之间的相互转换通过VO2绝缘态和金属态之间的可逆相变特性实现.当VO2处于金属态时,设计的结构可以看作一个超材料宽带吸收器.仿真结果表明,在1.55THz至2....     

Actively tunable dual-broadband graphene-based terahertz metamaterial absorber

A tunable metamaterial absorber (MA) with dual-broadband and high absorption properties at terahertz (THz) frequencies is designed in this work. The MA consists of a periodic array of flower-like monolayer graphene patterns at top, a SiO₂ dielectric spacer in middle, and a gold ground plane at the bottom. The simulation results demonstrate that the designed MA has two wide absorption bands with an absorption of over 90% in frequency ranges of 0.68 THz-1.63 THz and 3.34 THz-4.08 THz, and the corresponding relative bandwidths reach 82.3% and 20%, respectively. The peak absorptivity of the absorber can be dynamically controlled from less than 10% to nearly 100% by adjusting the graphene chemical potential from 0 eV to 0.9 eV. Furthermore, the designed absorber is polarization-insensitive and has good robustness to incident angles. Such a high-performance MA has broad application prospects in THz imaging, modulating, filtering, etc.     

Design of a type of broadband metamaterial absorber based on metal and graphene

In this paper, we demonstrate a kind of broadband metamaterial perfect absorber using both graphene and metal resonator elements. Through step by step design and simulation, wider absorption band from about 4.22 THz to 7.48 THz with average absorption rate up to 98.21% is achieved in the absorption spectrum. In addition, the absorber has characteristics of polarization insensitivity and wide incident angle due to its inherent rotational symmetry. Moreover, the absorption band can be adjusted by changing the chemical potential of the graphene. The superiorities of broadband, high absorption rate, polarization independent and wide-angle characteristics make it have potential application prospects in electromagnetic wave absorbing, signal sensing and detection, and other optoelectronic devices.     

基于超材料的偏振不敏感太赫兹宽带吸波体设计

本文设计了一种基于超材料的偏振不敏感太赫兹宽带吸波体.吸波体包含两层金属和一层中间介质,表面金属层每一个周期单元由五种尺寸接近的金属块按照相邻不同的规律排列成5×5的方形阵列.各种尺寸金属块分别产生单峰谐振吸收,五个谐振吸收峰相互靠近从而产生宽带吸收.通过研究吸波体表面电流和电场z分量分布情况可知,入射太赫兹能量的吸收主要是由y方向上电场引起的电偶极子振荡和z方向上磁场引起的磁极化产生,而且金属层的欧姆损耗起主要作用.仿真结果表明,吸波体吸收率在80%以上的带宽约为1.2 THz,最高吸收率可达98.7%,半峰全宽(FWHM)为1.6 THz,该宽带吸波体的厚度约为中心波长的二十分之一,对偏振方向不敏感,且能实现大角度吸收,在太赫兹频段的电磁隐身、测辐射热探测器以及宽带通信等领域有潜在的应用价值.     

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.     

石墨烯和对称开口谐振环超材料中可调谐的双等离激元诱导透明现象

提出了由石墨烯和两对对称开口谐振环构成的等离激元诱导透明(PIT)超材料结构,该PIT超材料结构之间的耦合形式为暗-亮-暗模式.通过有限元方法模拟,观察到双PIT透明窗口,通过改变石墨烯的费米能级或者改变开口谐振环的几何参数来动态地调制PIT窗口.理论结果表明,当石墨烯与两对对称的开口谐振环之间的相互作用距离为0.5 μm、石墨烯费米能级为1.5 eV时,可得到最优的双透明窗口.双PIT效应在非线性器件、可调谐传感器、开关和慢光器件等方面有潜在的应用价值.