设计了一种基于二氧化钒(VO₂) 复合超表面的太赫兹带宽可调极化转换器。该转换器由VO₂复合超表面、聚酰亚胺(PI)介质层和金属基底构成。其中,VO₂复合超表面的单元结构包含一个金属圆环、两根金属棒和嵌在其中的一小块VO₂。VO₂为绝缘态时,转换器在1.58~2.08 THz范围内交叉极化的反射率可达80%以上,极化转换率(PCR)大于95%,具有很强的极化转换效果。通过电触发使VO₂相变为金属态时,交叉极化的反射率在80%以上的频段缩小为2.04~2.08 THz,此频段的PCR大于95%。并且,VO₂相变使PCR在95%以上的相对带宽由27% 降低到1.9%。此外,还分析了PI介质层厚度与入射极化角度对器件PCR的影响。其中,当太赫兹波沿40°~ 55°极化方向入射时,PCR均高于80%。这种带宽可调的宽带极化转换器在未来太赫兹通信、成像等领域有潜在的应用价值。

旋转双棱镜用于目标跟踪时,其光束转向与棱镜旋转之间存在非线性关系。基于两步法解算两套棱镜角位置逆向解,沿目标移动方向求其方向导数来计算棱镜转速与光束转向率的比值,分析不同指向目标沿不同方向移动时的棱镜驱动和控制要求。结果表明:对于确定的旋转双棱镜系统,目标跟踪对棱镜驱动和控制要求只取决于当前目标指向偏转角及目标移动方向与径向的夹角;目标沿切向或径向移动,将分别导致系统观测场中央区和边缘区目标跟踪的棱镜旋转控制奇异性;目标跟踪对两棱镜旋转驱动和控制的要求存在微小差异,基于两套逆向解的分析结果无显著差异。

设计了一种基于双椭圆结构的高品质因数(Q值)太赫兹(THz)超材料传感器,该传感器的每个单元均包含两个厚度为0.2 μm、位于聚合物基底上且互成一定角度的金属椭圆。用时域有限积分法对传感器的结构进行了优化,通过破坏面内反转对称性使金属椭圆阵列组成的超表面激发垂直入射的THz波。实验结果表明,该传感器的Q值高达348。在传感器表面覆盖厚度为20 μm的待测物时,其灵敏度为293 GHz/RIU(Refractive index unit),可用于高灵敏度检测、痕量生物样本检测和疾病早期诊断等领域。

水溶性B族维生素是维持人体正常生理功能必需的营养成分, 摄取适量有益于生长、 代谢和发育, 摄入过量严重危害身体。 因此, 维生素检测方法的研究受到质量监控部门和国内外学者的重视。 传统测量维生素的光谱法、 化学法和高效液相色谱法存在操作繁琐、 样品处理复杂、 成本高等问题, 迫切需要开发操作简单快速准确的B族维生素检测技术。 太赫兹波的特殊性使其广泛用于物质的检测, 超材料奇异的电磁特性和对表面介质的敏感性, 促进太赫兹波段内的超材料传感器在检测领域发展和应用。 提出了一种利用四峰太赫兹超材料传感器进行同浓度水溶性B族维生素检测的方法。 利用有限积分法设计了一种由不对称开口的正六边形和圆环组成的四峰超材料结构, 四峰的频率分别为0.46, 0.57, 0.66和0.90 THz。 通过表面电流研究四谐振峰的形成机理和传感性能, 四个谐振峰对入射的太赫兹波响应特性不同, 导致了其不同的传感灵敏度。 实验过程中, 将同浓度(0.5 mg·μL-1)不同类型B族维生素B1, B3, B5和B6水溶液滴于超材料传感器表面, 利用太赫兹时域系统测量透射谱, 得到了四个谐振峰在测四种维生素时的频率偏移量。 实验结果验证了由正六边形外环和内圆环组成的不对称开口环结构传感器的传感特性。 结果表明, 由内外环耦合形成的传感器灵敏度明显大于仅由外环或内环的电偶极子振荡形成的传感器灵敏度。 该太赫兹超材料传感器的四个峰均可用于物质传感, 其中内外环耦合形成的谐振峰传感灵敏度最高。 不对称的双开口环具有优越的传感性能, 可用于生物医学等领域样品传感检测。

设计并制备了基于人工超表面/离子凝胶/石墨烯复合结构的太赫兹调幅器件,并对其调制效果进行了模拟仿真和实验验证。该器件以嵌在石墨烯和超表面之间的离子凝胶为电解质,以石墨烯为主动材料,用超表面实现太赫兹波与石墨烯相互作用的增强。通过外加偏压调节石墨烯的电导率,进而达到对太赫兹波的主动控制。结果表明:该器件在较小的外加偏压下就可以在谐振频率处实现73%的调制深度,并且在调制过程中谐振频率几乎保持不变。该器件为小电压下的大幅度太赫兹调制提供了一种新手段。

应用太赫兹时域光谱（THz-TDS）技术结合密度泛函理论（DFT）对两种结构相似的典型单糖和二糖物质（D-葡萄糖和乳糖一水化合物）在0.3~1.7 THz频段的太赫兹吸收光谱进行了实验与理论模拟研究。 首先, 利用THz-TDS技术分别测量了D-葡萄糖和乳糖一水化合物在0.3~1.7 THz频段的太赫兹特征吸收谱, 获得了它们在此太赫兹频率范围内的指纹光谱数据, 发现虽然乳糖的组成结构中含有葡萄糖, 但THz-TDS技术对糖类分子的结构变化非常敏感, 两种物质在所测太赫兹频段内分别表现出各自不同的太赫兹指纹吸收特性。 然后, 利用DFT方法分别对两种糖类物质单分子和多分子构型的低频集体振动模式进行了理论模拟计算, 获得了D-葡萄糖晶胞构型和乳糖一水化合物单分子及晶胞构型的DFT模拟计算结果, 并通过简正振动模式分解的PED分析方法, 结合GaussView显示的分子振动形式, 对两种糖类物质在太赫兹频段吸收峰的简正振动模式进行了指认, 发现乳糖一水化合物的振动模式与羟基（—OH）、 羟甲基（—CH2OH）和糖苷键的振动模式密切相关, 且D-葡萄糖在1.44 THz处及乳糖一水化合物在1.38 THz处出现的吸收峰主要是由分子间的相互作用（氢键和范德华力）, 尤其是相互作用较强的氢键引起。 最后, 利用约化密度梯度（RDG）分析, 可视化地分析了D-葡萄糖和乳糖一水化合物分子间相互作用的位置、 类型和强度, 进一步证明了两种物质在太赫兹频段的特征吸收峰主要来源于分子间氢键网络支配的集体振动模式。 研究结果表明, THz-TDS技术对糖类分子结构的细微变化有着敏锐的感知, 虽然D-葡萄糖和乳糖一水化合物的分子结构相似, 但太赫兹波对它们之间的结构差异十分敏感, 两者在太赫兹波段的特征吸收谱表现出明显差异, 这为THz-TDS技术结合DFT方法对糖类物质进行检测识别以及研究糖类分子间的相互作用提供了有价值的实验和理论参考。

随着人工超材料对电磁诱导透明(EIT)现象的成功模拟, 超材料明暗模间的耦合机制引起了广泛关注。回顾了近年来在太赫兹(THz)波段基于人工超材料的明暗模耦合效应的相关研究进展, 包括平面结构EIT效应, 立体结构EIT效应, 明暗模垂直耦合电磁诱导吸收(EIA)效应, 以及表面波非对称激发。组成超材料的单元结构内部的模式耦合机制对超材料的远场近场响应具有决定性的作用, 其不同的耦合机制在光开关、慢光器件、光传感器、片上系统等的设计方面有重大的潜在应用价值。

提出了一种基于太赫兹（THz)光谱技术以及布谷鸟搜索（CS)算法优化支持向量机（SVM)的有效的转基因产品鉴别方法（CS-SVM)。 实验采用太赫兹时域光谱（THz-TDS)系统测量了三种转基因大豆种子及其亲本样品在02~12 THz波段的THz光谱, 并采用SVM方法对转基因和非转基因大豆种子进行了分类鉴别研究, 其中SVM的两个重要参数（惩罚因子和核参数)采用CS算法进行优化。 实验结果表明, 应用THz光谱技术结合CS-SVM方法为转基因和非转基因生物的检测和识别提供了一种快速、 无损和可靠的分析方法。

用特征谱区筛选法结合太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术对多元混合物成分含量进行了定量分析研究。 实验利用太赫兹时域光谱系统测量了由乳糖一水合物(LAC)、 对乙酰氨基酚(APAP)、 可溶性淀粉(starch)以及微晶纤维素(MCC)四种材料组成的混合物样品的太赫兹吸收光谱, 并分别尝试采用常规区间偏最小二乘(iPLS)、 向后区间偏最小二乘(biPLS)、 联合区间偏最小二乘(siPLS)和移动窗口偏最小二乘(mwPLS)四种特征谱区筛选法对多元混合物的太赫兹吸收光谱进行特征子区间优选, 建立了太赫兹吸收谱与四元混合物中乳糖一水合物含量之间的定量回归模型。 通过比较四种谱区筛选算法模型及全光谱偏最小二乘(PLS)模型所得结果, 表明采用移动窗口偏最小二乘法建立的谱区筛选模型得到的结果相对最优, 其交互验证均方根误差(RMSECV)、 预测均方根误差(RMSEP)、 校正集相关系数(RC)和预测集相关系数(RP)分别为0.980 3, 1.114 1, 0.996 0和0.995 1。 实验结果表明, 采用特征谱区筛选方法可以有效选择多元混合物太赫兹吸收光谱的特征区间, 提高模型精度和降低模型复杂性, 为实现多元混合物成分含量的快速检测提供了一种有效的方法。