连续太赫兹单像素亚波长成像系统

单像素成像是一种新颖的计算成像技术,借助于空间光调制,仅使用一个单像素探测器即可获取物体的图像。为克服太赫兹波段阵列探测器稀缺的难题,并在近场调制实现亚波长成像,提出一套基于光泵浦硅晶片的全光调制器的连续太赫兹单像素亚波长成像系统,可以实现λ/7.62的空间分辨力。对分辨力测试板的成像结果表明,对成像细节不特别关注时,可采用厚硅片获取大调制深度,并采用压缩重建算法抑制噪声,平滑输出图像;若要追求较高的成像空间分辨力,需采用薄硅片减小调制单元间的串扰,并采用关联重建算法,保留更多图像细节。本工作为太赫兹亚波长成像走向实际应用提供了一个新途径。

凹槽修饰的太赫兹亚波长狭缝透射特性

为研究太赫兹波通过亚波长金属结构产生异常透射增强现象的规律,以凹槽修饰狭缝内壁的亚波长结构模型为基础,对太赫兹波段下Cu金属狭缝透射特性进行研究。依据表面等离子体理论,利用时域有限差分法对结构模型进行仿真分析。通过改变凹槽结构的几何形状,如深度、宽度、周期等参量,研究亚波长结构特征对太赫兹波透射特征调制的变化规律。研究发现,随狭缝内壁双面刻蚀矩形凹槽数目或深度的增加,太赫兹波透射明显增强,低频波段透射峰发生强度增强和峰位偏移;凹槽对称排布以及错位排布均对透射光谱有明显的调制作用。研究结果对金属亚波长结构的优化设计和新型太赫兹波功能器件的研发具有参考价值。

环烯烃共聚物多孔太赫兹纤维的设计与特性模拟

太赫兹纤维波导是太赫兹系统中重要的组成元件。为了实现太赫兹辐射的低损耗低色散传输,设计了一种以环烯烃共聚物为基质的多孔太赫兹纤维,并利用基于全矢量有限元法的商业软件COMSOL分析了该多孔太赫兹纤维的传输特性,着重考察了亚波长多孔纤芯的结构参数对传输特性的影响。结果表明,这种太赫兹纤维可以将模场能量很好地限制在亚波长多孔纤芯中传输,具有较小的有效模场面积、低的传输损耗和平坦近零色散等优良的传输特性;同时,通过增大多孔纤芯的占空比,可以将更多的模场能量限制在亚波长直径的空气孔洞中传输,并减小太赫兹纤维的有效模场面积和有效模式损耗,但同时会增大限制损耗和色散。

基于亚波长金属条阵列结构的太赫兹多频吸收器

基于亚波长金属条阵列结构,设计了一种结构简单的超材料太赫兹多频吸收器。运用CST仿真软件研究了亚波长金属条阵列单元结构内金属条数量和尺寸对太赫兹吸收光谱特性的影响。在0.5~2.6 THz频谱范围内,单金属条阵列结构的吸收峰随金属条尺寸的增大,谐振频率有一定的红移。啁啾金属条阵列结构能够实现多频带吸收和一定程度的宽带吸收特性,这对研究太赫兹成像、检测和电磁隐身具有重要意义。

低损耗传输太赫兹波的Topas多孔纤维设计

以新型聚合物材料Topas环烯烃共聚物（COC）为基质，设计了一种能够低损耗传输太赫兹波的多孔纤维。应用全矢量有限元方法对传输特性的研究结果表明，该Topas多孔纤维在太赫兹波段具有宽带低损耗、低色散的特性：0．4．1．5THz范围内的损耗小于0．2cm^-1；0．48-1．5THz范围内的色散为1．8±0．3ps·THz^-1·cm^-1。所设计的多孔纤维兼顾了结构简单、易于制备的特点。研究结论为Topas太赫兹波导的制备提供了理论指导。

硅表面太赫兹抗反射亚波长结构设计

亚波长结构是特征尺寸小于工作波长的连续阵列浮雕结构,可看成是一层折射率均匀的介质层,仅存在零级的透射和反射衍射。基于等效介质理论和严格耦合波理论介绍了亚波长抗反射结构。为提高111μm波长太赫兹辐射(2.7THz)的透过率,在硅表面设计了亚波长抗反射结构。该结构的透射率和反射率由其浮雕结构的周期、高度和占空比确定。利用等效介质理论和严格耦合波理论对其结构参数进行了优化设计。当周期为27μm、高度为13μm、占空比为0.75时,得到了99.05%的太赫兹辐射透过率。

基于亚波长金属孔阵列的光控太赫兹强度调制器(英文)

太赫兹波强度调制器对太赫兹技术的发展至关重要。亚波长金属孔阵列可以激发表面等离子激元,增加入射电磁波的透射效率,极大地提高调制器的调制深度。提出了一种基于表面等离子激元的光控太赫兹波强度调制器。首先给出了器件所依赖的基本原理;其次利用传统的微纳加工技术在半绝缘砷化镓衬底上制作出二维亚波长金属孔阵列;最后搭建了太赫兹时域光谱系统,测试了器件样品对太赫兹波的透过率。结果表明:亚波长金属孔阵列可以引起透射率的异常增强,且透射率随着泵浦光强的增大而减小,在特定频率点实现了较高的调制深度。此研究为实现高调制深度的太赫兹波强度调制器提供了参考。

温度对太赫兹亚波长金属结构共振特性的影响

利用太赫兹时域光谱系统研究温度对Ga As基底上生长的太赫兹亚波长金属结构的透过率及共振特性的影响。实验发现,温度从低温80 K升高至380 K,样品的透过率逐渐降低,且低频共振频率处有轻微的红移现象。通过研究共振带区域及远离共振带区域的透过率情况,分析了总体透过率降低的根本原因在于温度升高导致Ga As基底的本征载流子浓度升高;共振凹陷减弱是由于基底载流子的变化致使透过率升高形成的;红移现象的产生是由于温度升高导致样品折射率增大。此外,该研究可以为太赫兹范围的功能器件在实际应用和生产制造中提供有意义的参考。

亚波长金属块阵列中太赫兹波的传输特性研究

利用太赫兹时域光谱技术,研究了亚波长金属块阵列的太赫兹透射光谱特性及金属阵列结构的周期、金属块尺寸等因素对太赫兹透射特性的影响.结合时域有限差分方法,对实验结果进行了数值模拟,并分析了影响太赫兹透射的因素.结果表明:亚波长金属块阵列结构中,THz波的透射极小的位置由金属块的尺寸和周期决定,其透射谷的半高宽随其周期的增大而减小;透射峰值的位置由阵列的周期结构决定,其频率随周期的增加而减小;亚波长金属块结构的透射极小来源于金属块表面局域化电场等离子体的本征频率反射,该局域化电场与金属块结构密切相关,通过改变金属块结构,可以改变其表面电场分布与局域化.研究结果为研制太赫兹波段带阻滤波器提供了有益的参考.

亚波长线栅太赫兹偏振分束器的研究

为了提高工作在太赫兹波段偏振分束器的性能,采用激光诱导与化学镀铜的方法在聚酰亚胺衬底上制作了亚波长周期金属线栅太赫兹偏振分束器,并以返波振荡器作为太赫兹辐射源搭建了偏振分束特性测试系统。当入射波频率为340GHz、入射角为45°时,测得在入射波偏振在0°～180°变化过程中,该偏振分束器具有良好的偏振分束特性,透射和反射的消光比分别为27.3dB和10.5dB,插入损耗分别为0.13dB和0.32dB;用太赫兹时域光谱系统测得偏振分束器在0.2THz～1.5THz频域内透射消光比大于18dB。结果表明,测试结果与时域有限元方法模拟结果基本吻合。

亚波长金属块阵列的太赫兹传感芯片

光波波段的生化传感器件已很常见且可实现单分子探测,但由于光波波长在纳米量级,制作出的器件的结构尺寸小、加工难度大、传感重复性较差。因此,本文提出一种亚波长金属块阵列结构的太赫兹(Terahertz,THz)传感芯片,在理论上基于法布里-珀罗(FP)共振建立了其传感模型,结合有限元方法分析了亚波长金属结构局域表面等离子体共振对其传感灵敏度的影响规律。然后采用正交光刻工艺制作出了结构均一的传感芯片,传感实验表明,该芯片对0.025 mol/L的D(+)-葡萄糖水溶液可产生53 GHz的频移量,传感灵敏度高,有望应用于高灵敏的太赫兹生物传感。

基于二氧化硅薄膜夹层式亚波长金属光栅的宽波段太赫兹偏振分束器（英文）

设计出一种结构新颖的宽波段太赫兹偏振分束器,这种偏振分束器由夹层式亚波长金属光栅制成。亚波长金属光栅偏振分束器可以将入射的任意自然光分成两束偏振状态垂直的线偏振光。其中,TE模反射而TM模透射。设计的偏振分束器在3.5～5.5 THz波段可以达到很高的衍射效率与消光比。但是,在光栅的实际制作过程中,加工技术的缺陷引起的误差大大影响了光栅的性能,比如衍射效率,消光比等。因此文中对一些结构参数进行了计算,从计算结果可以看出这种偏振分束器也有很好的TM工艺容差。当覆盖层厚度D_1与底层介质厚度D_3的变化范围分别为1～1.2μm和2.8～3μm时,T_0^(TE)大于96.9%,R_0^(TE)大于98.7%。T_c和R_c分别大于31 d B和33.4 dB。结果显示,设计的偏振分束器在2 THz的带宽10°的大角度范围内,衍射效率高于90%,消光比大于20 dB。因此文中设计对于太赫兹调制器件的研究,以及太赫兹通信系统的集成都有很大的参考价值。

基于亚波长金属耦合腔光栅的太赫兹传感器

提出一种亚波长金属耦合腔光栅结构的太赫兹传感器。采用亚波长矩形腔结构单元,设计了谐振腔级联耦合的金属亚波长光栅。利用谐振腔与光栅导模共振的相干耦合作用,产生高品质因数的类电磁诱导透明模,形成腔诱导太赫兹波异常反射现象。异常反射模表现出显著的局域场共振增强效应,大大提升太赫兹波对分析物的感测能力。数值仿真表明,太赫兹波正入射的传感灵敏度可达到6-22 THz/RIU,品质优值可高达55-152,同时具有宽达50°工作角的太赫兹感测能力,可适应大孔径角太赫兹波束的传感操作。

基于双层金属光栅的高消光比高透过率太赫兹偏振器

本文设计了一种基于双层金属亚波长光栅的太赫兹偏振器,其可以实现高透过率和良好消光比的特性.该偏振器是通过微加工技术在薄石英衬底的上下表面上制备而成的.实验和模拟结果均表明,双层金属光栅具有与单层金属光栅相近的透过率、更高的偏振度和更高的消光比.在0.3~2.0 THz的频率范围内,测量的透过率在83.4%到62.7%之间,偏振度大于99.7%,消光比大于29 dB.此外,设计的两种双层金属光栅偏振器件成功地应用于太赫兹时域光谱(TeraHertz Time Domain Spectroscopy,THz-TDS)系统中,获得了超过96.2%的偏振度和超过17.1 dB的消光比.通过调整金属亚波长光栅的参数(例如间距、线宽和金属膜厚度),可以进一步提高透过率、偏振度和消光比等特性.

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。

介质填充浅槽周期结构表面上的太赫兹表面等离子体激元

通过在金属表面刻成浅的垂直凹槽,并在槽内填充不同的介质,对金属表面浅槽周期结构上传播的表面等离子体激元的色散特性与填充介质的关系进行了研究.研究表明通过在周期凹槽内填充介质可以有效降低人工表面等离子体激元的渐近频率,并增强金属表面对电磁场的约束.分析了太赫兹波段金属的吸收损耗对人工表面等离子体激元特性的影响,结果显示基于填充介质的浅槽周期表面结构可以获得长距离传输以及场的亚波长约束.通过对波传输的数值仿真,验证了该表面结构在太赫兹波段良好的导波能力.这种表面结构对太赫兹波段新型集成导波器件的设计具有参考价值.

太赫兹偶数分束器设计与公差分析

本文运用二元光学矢量理论设计了一种硅基太赫兹偶数分束器,实现高衍射效率、高均匀性、有效抑制零级的偶数分束,突破传统标量方法设计局限性,给出了分束器脊宽、槽宽、槽深、占空比、基底厚度等结构参数的最优设计值,并进行了公差分析,得到分束器各结构参数的加工允许偏差范围,对器件的设计和制作具有指导意义.

THz波段亚波长半导体球形阵列光学特性的数值模拟

利用T-matrix方法对太赫兹波段亚波长半导体球形阵列进行了数值模拟并在数值模拟结果的基础上讨论了其光学特性。在太赫兹波段可以通过掺杂等手段调节半导体的表面等离子体特性。以半导体InSb为例并采用Drude模型,对单个亚波长球及两个或多个亚波长球组成的阵列进行了数值模拟,主要以归一化消光截面为参数,讨论了不同阵元半径、不同球形单元间距、不同单元数目及入射波不同极化方向对阵列特性的影响。

亚波长微纳光学的前沿研究(二)

结合薄膜光学、导波光学和衍射光学制备的亚波长微纳结构器件,具备制作新型功能光学元件的潜力,是当今光学领域备受关注的研究热点。笔者介绍了亚波长导模共振结构应用于可调谐滤波器、彩色图像再现,及其周期性孔阵列结构制备的可调谐滤波器。这些研究展示了微纳米尺度的光学结构不同于宏观尺度的新特征,及其在新技术的广阔前景和科技创新中的重要作用。

基于混合微腔的高效率太赫兹波产生

提出并研究基于回音壁共振模和表面等离子激元共振模的混合微腔太赫兹产生系统,运用有限元方法模拟实现了室温下11. 7 THz的太赫兹波产生,所获得的太赫兹波模体积小,超过衍射极限,亚波长局域使得Purcell因子达到7. 2×10~3(砷化镓中太赫兹波长的负三次方).研究表明,该结构的太赫兹波转化效率可达到量子极限(～5. 5%),太赫兹波的最高输出功率可达166. 3 m W.该系统可在室温下工作,转化效率接近量子极限,太赫兹输出功率较高,且易于光学集成.