太赫兹超材料宽带吸收器

本文通过使用低于.趋肤深度的金属来设计并制作太赫兹超材料吸收器,在046THz~107THz频率范围内实现了宽频带吸收器,对应的90%相对吸收带宽为7974%。这种宽带吸收性能是由超材料阵列的电偶极子谐振和F-P谐振吸收峰叠加而成的。低于趋肤深度的金属电导率与其厚度息息相关,总体来说,金属厚度越小,电导率也越小,对电磁波的损耗越高。而用高损耗金属制作成太赫兹超材料吸收器,可以增加吸收带宽,因此用低于趋肤深度的金属铂超材料设计成的宽带吸收器,仅由两个吸收峰叠加就可以得到很宽范围内的高吸收。

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 Element Method,FEM)分析了该吸收器的宽带吸收率、偏振敏感性和入射角度等特性。仿真结果表明:该吸收器可以实现5.86~7 THz的宽带吸收,吸收带宽为1.14 THz,带宽内的吸收率在95%以上,且对于垂直入射的电磁波偏振并不敏感,在一定入射角度内依然保持宽带吸收。该吸收器结构设计简单且具有优良的性能,在太赫兹成像和电磁隐身等领域中具有重要的应用价值。

基于二氧化钒的动态可调谐的红外线超宽带吸收器

设计了一种基于二氧化钒的动态可调谐的红外线超宽带吸收器。数值模拟表明:对于横磁(TM)波,当入射角由0°增加到60°时,在17~55μm波长范围内,吸收器的吸收率可以保持在90%左右;对于横电(TE)波,当入射角由0°增加到55°时,在10~55μm波长范围内,依然可以实现90%左右的高效吸收;当TM波或TE波垂直入射时,在16~60μm波段,吸收率大于90%,吸收带宽可以达到54μm。当二氧化钒的电导率从20 S/m逐渐变化到2×10^(5)S/m时,超宽带吸收器可转换为多峰吸收器。与之前报道过的基于二氧化钒的吸收器相比,所设计的吸收器的带宽和可调性得到了显著改善。该吸收器有望在偏振探测器、热辐射器、红外传感器等领域中得到应用。

基于石墨烯和二氧化钒的太赫兹宽带可调谐超材料吸收器

太赫兹超材料吸收器作为一种重要的太赫兹功能器件,被广泛应用于生物医学传感、电磁隐身、军用雷达等多个领域。但这种传统的超材料吸收器结构具有可调谐性差、功能单一、性能指标不足等缺点,已经无法满足复杂多变的电磁环境的要求,因此可调谐超材料吸收器逐渐成为了太赫兹功能器件领域的研究热点。为实现超材料吸收器吸收特性的调谐,通常从调节谐振单元或基底材料的电磁特性或调节超材料结构单元的几何尺寸两个方面出发。设计了一种基于石墨烯和二氧化钒的太赫兹宽带可调谐超材料吸收器。该吸收器由工字型二氧化钒谐振层、连续石墨烯层和被Topas介质隔开的金属反射层组成。数值模拟结果表明,当二氧化钒材料处于全金属状态(电导率为200 000 S·m^(-1))且石墨烯的费米能级设为0.1 eV时,吸收率超过90%的吸收带宽达到了2.8 THz。通过调节石墨烯的费米能级,使其在0.1~0.3 eV之间变化时,该吸收器的工作频率发生了明显的蓝移。由于二氧化钒材料从绝缘状态到金属状态的相变特性,通过控制电导率使其在100~200 000 S·m^(-1)之间变化时,所提出的宽频结构在反射器和吸收器两种工作状态之间自由切换。此外,还分别监测了该超材料吸收器在1.87,3.04和4.16 THz三个完美吸收峰处的表面电流分布,讨论了其工作机理。所设计的结构通过石墨烯和二氧化钒两个独立可调“开关”实现了对吸收器工作频率和吸收振幅的双重控制,为设计多功能太赫兹器件提供了新的发展思路。

基于圆顶锥壳阵列的超宽带太阳能吸收器研究

提出了一种顶锥壳阵列超宽带全向超材料吸收器,研究了圆顶锥壳的几何参数、顶部的几何形状以及不同密排方式对宽带吸收的影响。研究了包覆金属薄膜的圆顶锥壳阵列在太阳辐射能谱区的超宽带吸收特性,结果显示在250~2500nm范围内的平均吸收率达到95.39%。在0°~65°的大角度入射下,对于TE和TM偏振的平均吸收率分别为92.7%和94.59%,表明所提出的结构具有偏振无关和入射角不敏感性。空气质量1.5加权平均吸收率为95.24%,证明能够有效地吸收地球上的太阳辐射。通过结合胶体球光刻技术和表面镀膜成功制备了所提出的吸收器,初步测试结果表明,其吸收性能存在提升空间。

一维石墨烯基光子晶体光吸收特性研究

基于传输矩阵法研究了一维石墨烯基光子晶体(Graphene-based photonic crystal,GBPC)的吸收特性,得到了石墨烯化学势、电介质相对介电常数、介质层厚度及入射角对GBPC吸收特性的影响.结果表明通过改变石墨烯的化学势,可动态调整GBPC的吸收频带.在一定范围内,GBPC的宽带吸收特性对相对介电常数、介质层厚度和入射角不敏感.该研究结果为GBPC宽带光吸收器的设计提供了理论依据.

基于温度控制的可切换宽带太赫兹吸波器

为了实现宽带吸波器的动态可调功能,设计出一种由顶层"方环内嵌十字"、二氧化硅介质层以及二氧化钒薄膜底层组成的对称吸波器结构。在2~4 THz范围内,通过调节二氧化钒薄膜底层的电导率可以实现由低于10%的吸收效率调整至高于90%的吸收效率,切换调制深度大于65%。在宽频带范围内,可以实现动态切换该器件的反射和完美吸收功能。仿真结果表明,该吸波器具有宽角度特性和极化不敏感特性,入射角度范围达到75°。基于以上优点,该吸收器在智能衰减器、反射器以及空间调制器等太赫兹器件应用方面有巨大的潜力。

CO and CO_2 dual-gas detection based on mid-infrared wideband absorption spectroscopy

A dual-gas sensor system is developed for CO and CO_2 detection using a single broadband light source, pyroelectric detectors and time-division multiplexing(TDM) technique. A stepper motor based rotating system and a single-reflection spherical optical mirror are designed and adopted for realizing and enhancing dual-gas detection. Detailed measurements under static detection mode(without rotation) and dynamic mode(with rotation) are performed to study the performance of the sensor system for the two gas samples. The detection period is 7.9 s in one round of detection by scanning the two detectors. Based on an Allan deviation analysis, the 1σ detection limits under static operation are 3.0 parts per million(ppm) in volume and 2.6 ppm for CO and CO_2, respectively, and those under dynamic operation are 9.4 ppm and 10.8 ppm for CO and CO_2, respectively. The reported sensor has potential applications in various fields requiring CO and CO_2 detection such as in the coal mine.