太赫兹Smith-Purcell自由电子激光研究进展

太赫兹电磁波在材料表征、医学成像、无线通信、安全检测等领域有广泛的应用前景,是当前科学研究热点之一。基于自由电子与周期性光栅结构相互作用产生的Smith-Purcell辐射的Smith-Purcell自由电子激光凭借其易加工、可调谐、高功率等优点成为发展高功率太赫兹源的有效途径之一。本文对太赫兹Smith-Purcell自由电子激光的近期研究进展进行了综述,对基于特异Smith-Purcell辐射新型Smith-Purcell自由电子激光以及基于预群聚电子注的Smith-Purcell太赫兹源进行了着重介绍,这两类新型太赫兹自由电子激光结构克服了传统自由电子激光的若干缺点,有望发展为具有重要应用前景的紧凑型、大功率太赫兹源。     

基于非均匀硅基光栅的太赫兹选频反射器

亚波长尺寸介质光栅作为一种特殊的周期性结构已经在滤波器、反射器、耦合器和传感器等方面取得了重要的进展,其中非均匀光栅具有极大的设计自由度,使其可以在太赫兹波段具有宽频带、高反射的特点,而且不同的光栅常数和填充因子会引起光栅光谱的频移,从而实现选频反射.文章设计并加工了一种非均匀硅基光栅,并利用反射式太赫兹时域光谱系统测试其反射特性并对其选频特征进行有限元分析.结果表明该非均匀硅基光栅太赫兹选频反射器不但具有频带宽、反射率高等优点,还具有结构简单、体积小、易于加工制作和工艺容差大等特征.     

金属光栅发出太赫兹脉冲

英国斯特拉思克莱德（Strathclyde）大学的研究人员发现，发射超短脉冲到镀金纳米结构光栅是产生太赫兹脉冲简单易行的方法。利用该方法产生的太赫兹波功率和利用最好的无机晶体相当，而且可以进一步优化产生更高的功率。     

利用共振隧穿器件制作太赫兹波源

太赫兹波是振荡频率在100GHz～10THz范围的电磁波,利用共振隧穿器件高频高速的特点,适宜制作此波段的振荡源器件。指出与其他类型的太赫兹源器件相比,共振隧穿型太赫兹波源器件具有体积小、重量轻、便于与控制电路集成以及易于进行调制等特点;此外,还适宜用Si透镜进行功率合成,增大其总发射功率。给出几种重要太赫兹共振隧穿器件的结构、制造工艺和器件性能,作为太赫兹技术领域的研究人员选择太赫兹波源器件的参考。     

太赫兹计量研究进展

太赫兹技术的独特性和优越性吸引着众多科学研究者的关注,在生物医药、信息科学、公共安全、量子研究和太空探测等领域具有巨大应用潜力。这些应用的有效性和可信度都需要以太赫兹相关参数的量值溯源为前提。文章以太赫兹光谱、频率、功率和强度等参数为对象,介绍了太赫兹计量研究的最新进展,分析了各种计量技术的特点,以期促进太赫兹计量技术发展,保障太赫兹研究和应用的量值可靠。     

基于光栅倾斜脉冲前沿的太赫兹脉冲单次测量

太赫兹脉冲单次测量技术对于不可逆或者单次超快过程的太赫兹光谱研究具有重要意义。为了实现无畸变的高频率分辨率的太赫兹脉冲单次探测,利用光栅产生了一束具有倾斜前沿的飞秒探测脉冲,并利用该探测脉冲实现了对太赫兹脉冲时域电场波形的单次测量,测量时间范围达到20 ps,频谱覆盖0.1 THz~2.5 THz范围。且测量的结果与使用传统电光采样方法测量的结果相符合。对于基于光栅产生倾斜脉冲前沿的太赫兹脉冲单次测量方法进行了建模分析,获得了光栅和光学元件参数的选取,以及光路设计等指导性结论。     

基于超光栅的3D打印全介质太赫兹超透镜

超透镜是基于超表面和超光栅的器件,可实现对入射光振幅、相位、偏振等的灵活调控,具有轻薄、易集成的特点。但超透镜的制作周期时间长、成本高,寻找一种易加工、低成本、高效的方法制造超透镜是非常有必要的。本文设计了一种高效波前控制电磁波的太赫兹(Terahertz, THz)全介质超光栅,当电磁波垂直入射时,超光栅将电磁波束弯曲至T_-1衍射级。通过仿真模拟可知,当P偏振光入射时,可将83.44%的透射能量集中在T_-1衍射级,S偏振光入射时可达到82.73%。基于设计的超光栅,当0.14 THz电磁波入射时,设计了数值孔径为0.39的超透镜,利用3D打印技术加工工艺制备,并搭建扫描测量系统验证该设计。测量结果表明,超透镜焦距为114.5 mm,与仿真设计相一致,同时测得了光斑的大小,最后搭建的THz透射成像系统表征了超透镜的成像能力。这项工作在光学传感、通信和超分辨率成像中具有潜在的应用价值。     

全介质超周期光栅太赫兹波段宽带完美反射器设计

提出一种超周期全介质光栅结构,该类结构在单个周期内具有多个不同宽度亚单元光栅条,基于优化超周期单元结构的占空比、高度以及光栅条宽度等几何参数,实现太赫兹波段(1.2-2.0THz)宽带完美反射特性。利用S-参数反演算法,有效提取亚波长超周期全介质光栅结构的等效参数,包括等效折射率、等效介电常数、等效磁导率以及等效阻抗。分析超周期光栅结构等效参数,结合完美反射条件,证实该类光栅结构的宽带完美反射特性。基于矢量全波计算方法,数值模拟超周期光栅结构的电磁场分布,揭示其宽带太赫兹波完美反射Mie氏谐振特性和电磁耦合特性。     

光栅对石墨烯太赫兹光学性质的影响

在不考虑等离激元诱导效应的情况下,利用玻尔兹曼平衡方程方法从理论上研究了金属光栅结构对石墨烯光电导率的直接影响。研究发现由于光栅对入射光的动量补偿作用,光栅对石墨烯的带内光电导率产生了显著的影响,使得在石墨烯的太赫兹吸收窗口区域出现光电导率峰,并且该光电导率峰可由光栅周期、电子浓度以及温度来调控。该研究有助于深入理解光栅结构对光电材料的影响,并表明光栅-石墨烯体系可以应用于可调谐的太赫兹光电器件,如太赫兹探测器。     

石墨烯光栅太赫兹透射特性的研究

建立了石墨烯光栅模型,基于快速收敛傅里叶模型方法计算了太赫兹频段的石墨烯光栅透射率,讨论了费米能级、光栅周期、光栅占空比和弛豫时间对透射率的影响。研究结果表明,在正入射条件下,透射率随频率的增大先减小后增加,且费米能级、占空比和弛豫时间越高,透射率的最小值越小。在入射光频率为2 THz的条件下,透射率随入射角的增大先增加后减小,且透射率在入射角约为60° 时取得最大值。以上研究为石墨烯光栅的理论研究及其实际应用提供了有力指导。     

光电导太赫兹源回路电感对其辐射特性的影响

光电导太赫兹源（Photo-Conductive Antenna,PCA）已广泛用于太赫兹时域光谱系统（THz-TDS）。在THz-TDS系统中,处于偏置状态的PCA被飞秒激光触发因光生载流子,在偏置电场下的加速运动而向自由空间辐射太赫兹波,同时在PCA偏置回路中形成脉冲电流。通常给PCA加载偏置电压的回路有不同结构的电路设计,导致PCA装架的基板回路不可避免地存在一定电感,由此引起的电磁惯性会显著影响回路中脉冲电流的脉宽,电流脉冲的脉宽会随回路电感的增大而展宽。那么PCA回路电感是否会影响PCA向自由空间辐射THz波的特性,这是设计PCA基板电路面临的问题所在。本文尝试在PCA回路中加入不同电感值的电感元件,通过实验测试了PCA辐射THz波的时域波形和频谱,结果表明,PCA回路电感的数值对PCA辐射THz波没有明显影响,从而对不同场合应用的PCA基板结构和电路设计提供了实验基础。     

低损耗太赫兹镀膜金属波导研究

在研究太赫兹波在镀膜二维平板金属波导传输时,损耗减小的机制和条件,发现只有TM 模式在大间隙的金属镀膜波导传播时,其损耗小于不镀膜的金属波导。利用射线光学方法分析波导尺寸、膜厚度以及膜折射率等参数对TM 模式损耗的影响,获得其损耗最低的优化结构参数。用转移矩阵理论对镀介质膜前后平板金属波导的损耗进行理论计算和分析,当介质为聚乙烯且厚度为0.06mm时,波导的损耗最小。所获结论对于太赫兹波导器件及太赫兹波低损耗波导研制具有较大的意义。     

光电导太赫兹源新进展

太赫兹技术在基础研究、工业以及军事领域有着良好的应用前景和研究价值,而太赫兹源在很大程度上决定了太赫兹技术的应用前景和发展潜力。由于光电导材料的研究发展,光电导太赫兹源目前已成为产生宽频带太赫兹辐射的一种重要方法,也是所有太赫兹相关技术中研究非常活跃的一个领域。本文就光电导太赫兹源的原理、性能影响因素、国内外研究情况作了较为全面的评述,着重阐述了基底材料、电极几何结构和激发光源对于其性能的影响以及国内外研究现状,并对其中存在的问题和解决思路等进行分析,展望了未来研究发展方向。     

太赫兹频率下镁掺杂对氧化锌纳米粉体介电性能的影响

利用偶极天线LT-GaAs发射的太赫兹时域光谱(THz-TDS)研究单晶氧化锌、未掺杂和Mg掺杂的ZnO纳米粉末(粒子)在室温下的太赫兹光谱特性。在0.2~2 THz频率范围内研究了样品的功率吸收和折射率。结果发现,镁掺杂提高了样品材料的吸收效率,同时降低了氧化锌材料的折射率。相比较氧化锌单晶,未掺杂和Mg掺杂氧化锌纳米颗粒的太赫兹介电性质呈现类似的行为,该结果与横向光学E1(TO)声子模式有关。     

介质层对超材料太赫兹响应特性的控制规律

作为超材料的重要组成部分,介质层是影响超材料响应特性的关键因素.固定超材料的尺寸和表层金属图形,通过理论推导和仿真模拟详细分析了在太赫兹波段下介质层的介电常数和厚度两个参数对超材料响应特性的控制规律,并首次确定了响应频率与介电常数的关系方程.结果表明,在其他参数不变的情况下,超材料的响应频率主要取决于介质层的介电常数的实部大小,而其吸收率则主要取决于介质层的厚度.据此,提出一种设计超材料的新方法:首先将设计要求的响应频率代入频率方程计算出相应介质层的介电常数,由此挑选合适的介质材料;然后固定介电常数、调节介质层厚度,获得在特定频率具有特定吸收率的超材料.     

介质膜光栅槽形无损检测方法的研究

为了从理论上探究介质膜基底光刻胶光栅掩模槽形的检测方法,对此种光栅掩模建立了以C方法为理论基础的衍射效率理论计算的数学模型,并将从实际光栅掩模的SEM照片得出的光栅槽形参数带入到该模型中,得到了一系列-1级衍射光的光谱分布曲线,这些曲线的变化趋势与一定光栅槽形相对应,提出了通过测量衍射光的光谱分布曲线判断光栅槽形的无损检测方法。分析表明,该方法在光栅槽形的检测过程中,可以较为有效地判断光刻胶是否到底,而这一点在掩模的制作工艺中至关重要。     

基于氧化钼薄膜的光控太赫兹传输特性研究

本文采用热蒸发法制备了沉积在硅片上的200nm 氧化钼(MoO₃)的太赫兹调制薄膜。 在室温条件下,通过傅里叶光谱仪和太赫兹时域光谱系统(THz-TDS)技术,研究了MoO₃薄膜在不同激励光功率下的太赫兹传输特性。提出了薄膜重要光学参数的提取模型,利用透 射式太赫兹时域光谱技术测量了薄膜的时域信号,分别计算了太赫兹波在薄膜中的透过率及 调制效率及薄膜的复介电常数变化。结果表明,在980 nm激光器条件 下,随着激光器功率 的提高,MoO₃薄膜的太赫兹调制深度逐渐增加。在激光功率为266 mW时,在0.26 THz处 透过率达到最低为61%,调制效率(Modulation factor)达到最高为10%。通过分析MoO₃薄膜 的复介电常数及载流子密度变化,得出了激发生成的载流子浓度的提高导致介电常数的改变 , 增强了薄膜的导电性,从而减低了太赫兹波在薄膜中的透过率的结论。为MoO₃薄膜应用在 太赫兹波段调制领域提供了实验数据。     

一种基于介质谐振器的新型电磁超材料

文章设计了一种基于介质谐振器的新型混合左右手结构。该结构由工作在横电模式TE的介质谐振器嵌入到平行平板波导中组成。数值分析表明：工作频带为12 GHz～14 GHz,在13.15 GHz频率下相移为零。该结构在整个通带内插入损耗低于0.6 dB,同时具有极低的通带波纹,表现出了良好的传输特性。与普通的混合左右手结构相比,其结构简单,插入损耗较低,在高频时导体损耗也较低,在超级透镜、天线等领域具有很好的应用前景。     

On-chip silicon light source: from photonics to plasmonics

Practical silicon photonic interconnects become possible nowadays after the realization of the practical silicon light sources,where the hybrid integrations of Ⅲ-Ⅴ semiconductors and silicon by bonding...