1 上海理工大学光电信息科学与计算机工程学院，上海 200093
2 上海市现代光学系统重点实验室，上海 200093
基于金属-石墨烯耦合的开口谐振环超材料，在0.8~1.2 THz范围成功实现等离诱导透明效应（PIT）。通过调节石墨烯的费米能级可以在0.929 THz和1.037 THz处实现振幅调制，最大调制深度分别为96.05%和65.40%。通过提出等效电容耦合结构来量化偏置电压与石墨烯费米能级的关系，该结构在慢光应用的研究结果表明，当偏置电压，石墨烯宽度为2 μm时，群延时、群折射率、延时带宽积和Q值分别可达93.12 ps，756.67，9.31，10.19。该研究结果对可调谐慢光器件的应用具有潜在的推动作用。
等离诱导透明 石墨烯 可调谐 慢光效应 太赫兹 光学学报
2023, 43(16): 1623025
1 上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093
2 上海市现代光学系统重点实验室，上海 200093
透明质酸在临床医药等领域具有极高的价值，其浓度变化可直接反映机体健康程度。但由于透明质酸在机体内浓度较低，传统检测方法存在检测速度慢和灵敏度低等缺点，故快速与高灵敏的微量透明质酸检测技术具有重大意义。设计并实验验证了一种基于法诺和偶极子双波段的非对称刀切谐振环传感器，用于快速、有效、灵敏地检测低浓度透明质酸，分析了传感器的灵敏度。仿真结果表明，选择合适的不对称参数后，传感器的双波段灵敏度保持接近，且均大于150 GHz·RIU-1（RIU为折射率单位）。实验结果表明，不同浓度的透明质酸溶液样品在刀切谐振环传感器上产生的两个共振峰频移均可用希尔模型拟合，相关度大于0.99，检测极限可达1 mɡ·mL-1。本研究为快速、准确、高效地检测透明质酸提供了一种新的方法。
太赫兹 超表面传感器 透明质酸 法诺共振 刀切非对称谐振环
1 上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093
2 上海理工大学 中英学院，上海 200031
原油样品中主要成分的快速检测及产地溯源对**安全及生态环境等领域意义重大。现阶段的原油成分检测操作复杂、成本高且检测时间较长，无法满足对原油成分的快速检测及原油产地快速溯源的需求。文中结合高灵敏太赫兹检测芯片(基于双磁矩环偶极子）和时域太赫兹波谱系统，测试了不同产地原油样品的太赫兹光谱，发现芯片谐振峰频移呈现不同的规律。且对于原油中两个最主要的指标硫含量和残碳量，可分别根据它们的频移规律进行定量分析。实验数据计算表明：相同产地的原油的谐振频率平均值相对差值平均为4.63%，不同产地的原油的谐振频率平均值的相对差值平均为56.53%，可明显区分出原油的产地。设计的超表面芯片激发了电磁新模式，提供了一种高灵敏度的检测技术，可广泛应用于生物分子实时监测或探测化学物质(如原油)成分检测、产地溯源等领域。
双磁矩环偶极子 原油 太赫兹 超表面 高灵敏度 dual torus toroidal crude oil terahertz metasurface high sensitivity 红外与激光工程
2022, 51(6): 20210338
Author Affiliations
Abstract
1 Terahertz Technology Innovation Research Institute, Terahertz Spectrum and Imaging Technology Cooperative Innovation Center, Shanghai Key Laboratory of Modern Optical System, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China
2 Shanghai Institute of Intelligent Science and Technology, Tongji University, Shanghai 200092, China
Low-loss dielectric terahertz (THz) chips are efficient platforms for diverse THz applications. One of the key elements in the chip is the coupler. Most of the available THz couplers are in-plane and couple the THz wave from the metal waveguide to the dielectric waveguide. However, out-of-plane couplers are more suitable for wafer-scale testing and tolerant of alignment variation. In this work, we propose an out-of-plane THz coupler for coupling the antenna to the dielectric waveguide. The device is constructed using a grating and a compact spot-size converter. As the conventional optical spot-size converters that apply directly to THz chips are too large, we have designed a compact spot-size converter based on a tapered waveguide with a lens. The total device is 2.9 cm long and can couple a 7 mm diameter THz beam to a 500 µm wide waveguide. The device can scan the THz beam, radiate the input rectangular waveguide mode to free space, and drive the rotation angle of the fan beam through the scanning frequency. We fabricated the device using a single lithography step on a silicon wafer. The out-of-plane coupling efficiency was found to be ∼5 dB at 194 GHz. The fan-beam steering range was found to be around 40° in the frequency range of 170–220 GHz. The proposed out-of-plane coupling technique may provide an effective way for THz wafer-scale testing with a higher degree of freedom for on-chip integration. Also, the proposed technique being non-mechanical, beam steering using it, may therefore find applications in THz radar, communication, and sensing.
terahertz device grating coupler spot-size converter beam steering Chinese Optics Letters
2022, 20(2): 021301
1 上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093
2 上海市现代光学系统重点实验室，上海 200093
3 上海理工大学中英国际学院，上海 200031
4 上海市环境科学研究院，上海 200233
5 同济大学人工智能研究院，上海 200092
超表面具有强烈的局域等离子体共振特性，其共振频率对周围介质环境十分敏感，可应用于无标记环境检测领域。本文设计了一种优化了品质因数和有效模体积之比(Q/Veff)的蝴蝶结型太赫兹超表面结构。该结构单元由中间镜像对称的金属蝴蝶结及两侧的连续金属边带组成。针对Q/Veff 这一重要指标，分别从连续金属边带的宽度和蝴蝶结间隙长度这两个参数对结构进行了仿真优化。当连续金属边带宽度为25 μm，间隙长度为2 μm 时，在0.7 THz 处有效模体积为3.6 μm3，相应的Q/Veff 为2.2 μm-3。在实验中，将不同浓度的铅离子溶液滴于超表面传感器表面，利用太赫兹时域光谱系统测量透射谱。实验结果表明，在0.1 ng/mL～20 ng/mL 范围内铅离子溶液浓度与超表面共振频率的漂移值具有线性关系，铅离子溶液的检测最低限为0.1 ng/mL。该太赫兹超表面传感器具有体积小、样品制备简单、检测速度快和实时现场测量等优点，将在环境保护和食品安全领域有广泛应用。
太赫兹 超表面 铅离子 有效模体积 高灵敏度 terahertz metasurface lead ion effective mode volume high sensitivity
1 上海理工大学上海市现代光学系统重点实验室, 上海 200093
2 上海理工大学光电信息与计算机工程学院, 上海 200093
设计了一种基于石墨烯动态调控太赫兹泄漏波的调制器件。通过调节石墨烯费米能级的大小, 改变了金属.介质.石墨烯(MIG)超表面结构的共振响应, 从而达到调控太赫兹泄漏波的功能。仿真结果表明: 随着石墨烯费米能级从 10 meV到 60 meV和介质层厚度从 20 μm到 200 μm的变化, 通过优化电控石墨烯 MIG结构最终实现了 35 GHz的频率扫描范围, 并伴有电磁响应状态从过阻尼至欠阻尼的转变; 在过阻尼状态下结构的电磁响应仅存在共振吸收而在欠阻尼状态下具有类电磁诱导透明现象, 使具有这种显著变化特征的电控石墨烯 MIG结构可应用于高灵敏的生物检测中。本器件具有构型简单、调控方便的特点, 在生物分子和材料折射率检测等方面具有广泛的应用前景。
太赫兹 超表面 相位调制 生物传感器 terahertz metasurface phase modulation biosensor
1 上海理工大学 上海市现代光学系统重点实验室, 上海 200093
2 上海理工大学 光电信息与计算机工程学院, 上海 200093
鉴于金属光子晶体结构在滤波、极化、传感、成像等领域的重要作用, 研究了基于三角形晶格的金属光子晶体的超常透射、光子能带和表面波特性。采用三维时域有限差分法对金属光子晶体结构建模, 同时解释超常透射机理;推导和讨论光子能带沿着ΓK和ΓM晶格方向的能带图, 分析不同的表面波特征, 并解释非对称入射下观察到的三角形的两个晶格方向模式分裂效应;建立了描述这种模式分裂效应的精确的表面模式谐振频率公式, 并对金属光子晶体的色散进行了定量分析。研究结果可为太赫兹功能器件的研究提供参考。
时域有限差分 金属光子晶体 光子能带 表面波 角度依赖性 finite difference time domain metallic photonic crystal photonic band surface waves angular dependence
1 上海理工大学 上海市现代光学系统重点实验室, 上海 200093
2 上海理工大学 光电信息与计算机工程学院, 上海 200093
搭建了一套以返波振荡器(BWO)为辐射源的太赫兹透射式系统。通过高莱探测器、数字锁相放大器等完成测试信号的探测和存储,在LabVIEW编程环境下,完成配合系统硬件工作的软件平台的编写,利用VISA模块实现对下位机的参数设置以及数据采集工作。利用这套系统进行了单频和扫频实验,分别测试了不同葡萄糖溶液浓度的透过率。结果表明,葡萄糖溶液对太赫兹波有透过特征峰,不同浓度葡萄糖溶液对太赫兹波的吸收不一样。该研究为以后基于BWO的太赫兹生物传感器研究提供了参考。
太赫兹 返波振荡器 葡萄糖溶液 数字锁相放大器 terahertz backward wave oscillator glucose solution digital lock-in amplifier
