1 南京航空航天大学 航天学院，江苏 南京 211106
2 安徽北方微电子研究院，安徽 蚌埠 233000
硅基光电子与CMOS工艺兼容，借助成熟的微电子加工工艺平台可以实现大规模批量生产，具有低成本、高集成度、高可靠性的优势。其中，硅基半导体探测器是目前应用最为广泛的可见光波段探测设备，将其工作频段拓展到近红外波段具有重要意义。由于硅的禁带宽度，硅基材料在近红外波段电磁波吸收存在明显限制，硅基探测器在近红外波段的应用受到挑战。根据纳米金属粒子发生局域表面等离子共振时产生的近场增强效应，提出了一种纳米金属粒子梯度掺杂的硅基结构。通过应用等效介质理论，模拟了复合硅基结构在可见光与近红外波段的吸收特性。结果表明：该结构在近红外波段具有电磁波吸收提升效果，并且当选择纳米金粒子梯度递增掺杂时，可以在610~1450 nm波段提升吸收性能，最高提升可达到10.7 dB。所提出的结构可以有效增强硅基材料在近红外波段的吸收效率，研究结果为硅基半导体探测器在近红外波段的应用提供了重要参考。
超材料 梯度掺杂 等效介质理论 近红外吸收增强 metamaterials gradient doping effective medium theory near infrared absorption enhancement 红外与激光工程
2024, 53(2): 20230519
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072
2 天津大学太赫兹研究中心，天津 300072
聚烯烃薄膜材料的孔隙率会影响材料的力学性能、绝缘性和贯通性，但少有对聚烯烃孔隙率无损检测的精确方法。本文以有效介电常数为桥梁，建立了四种材料等效折射率与孔隙率之间的等效模型；通过实际测试电池隔膜及微孔滤膜的太赫兹时域光谱，定量得到材料的折射率、介电常数、孔隙率等数据。结果表明：对于聚烯烃材料与空气的两相介质，其孔隙率与介电常数存在高相关性；采用改进的有效介质模型测得的孔隙率与常规的气体置换法测得的孔隙率的平均相对误差在2.53%左右；利用太赫兹光谱测量聚烯烃薄膜的孔隙率具备一定的可行性，有望成为薄膜检测的补充手段。
光谱学 太赫兹时域光谱 薄膜孔隙率 有效介质理论 聚烯烃材料 激光与光电子学进展
2023, 60(9): 0930003
以纳米晶掺杂复合体系为例，研究该类多组分光学材料的有效介电系数随复合体系结构和组分介电系数的变化，进而分析有效介质理论的适用条件。假定纳米晶被周期性掺杂到背景晶体中，且均为各向同性材料。借助转移矩阵理论研究发现，当纳米晶和背景晶体的介电系数相差较大时，有效介电系数会表现出波长依赖性。此外，发现复合体系在其光学能隙处没有有效介电系数，说明此时基于等效介质思想的有效介质理论均不适合描述复合体系的光学性质，这是因为在物理上均一的光学材料无法形成光学能隙。
表面光学 光学超材料 转移矩阵理论 有效介质理论 有效介电系数 复合体系
Author Affiliations
Abstract
1 School of Information Science and Engineering, University of Jinan, Jinan 250022, China
2 Shandong Provincial Key Laboratory of Network Based Intelligent Computing, University of Jinan, Jinan 250022, China
An ultrathin angle-insensitive color filter enabling high color saturation and a wide color gamut is proposed by relying on a magnesium hydride-hydrogenated amorphous silicon (MgH2-a-Si:H) lossy dielectric layer. Based on effective medium theory, the MgH2-a-Si:H layer with an ultrathin thickness can be equivalent to a quasi-homogeneous dielectric layer with an effective complex refractive index, which can be tuned by altering the thickness of MgH2 to obtain the targeted value of the imaginary part, corresponding to the realization of high color saturation. It is verified that the proposed color filter offers highly enhanced color saturation in conjunction with a wide color gamut by introducing a few-nanometer thick MgH2 layer. As the MgH2-a-Si:H layer retains the advantages of high refractive index and tiny thickness, the proposed color filter exhibits large angular tolerance up to . In addition, MgH2 with an unstable property can interconvert with Mg under a dehydrogenation/hydrogenation reaction, which empowers the proposed color filter with dynamically tunable output color. The proposed scheme shows great promise in color printing and ultracompact display devices with high color saturation, wide gamut, large angular tolerance, and dynamic tunability.
color filter effective medium theory lossy dielectric layer color saturation angle insensitivity Chinese Optics Letters
2023, 21(3): 033602
1 云南师范大学信息学院，云南 昆明 650500
2 云南财经大学信息学院，云南 昆明 650221
3 云南师范大学地理学部，云南 昆明 650500
多波束天线技术可用于提升频谱资源利用率和信道容量而备受关注，而利用变换光学的方法设计各类天线也成为近年来的研究热点。提出了利用面积映射方法来设计多波束透镜天线，探讨了透镜天线的实现方法，并仿真验证了天线性能。研究结果表明，基于面积映射方法所设计的多波束透镜天线可呈现出无磁性且分块均匀的材料参数分布，进而可用介质基板钻孔或等效媒质方法来合成器件，用以重塑偶极子天线的辐射方向，提升辐射增益，实现多方向定向辐射。
光学器件 梯度指数透镜 超材料 等效媒质理论 激光与光电子学进展
2022, 59(3): 0323002
1 北京科技大学自动化学院, 北京市工业波谱成像工程技术研究中心, 北京 100083
2 北京科技大学材料科学与工程学院材料物理系, 北京 100083
极化率作为材料的重要微观属性, 与其呈现出的多种宏观属性等紧密相关, 在新型药物及功能材料的设计中扮演着关键角色。 对于微观结构存在复杂分子间作用的物质体系, 获取其太赫兹波段的动态极化率具有重要意义。 极化率的实验测定建立在其本征介电常数的准确测定之上, 太赫兹时域光谱系统凭借其相干探测属性, 可直接提供太赫兹波在穿透样品后的相位变化信息, 用于精确测定样品的介电常数。 当样品由待测物纯物质组成时, 实验测得的介电常数可直接用于计算极化率。 但对于大多数的有机晶体, 其自身对太赫兹波的特征吸收以及与颗粒尺寸与波长相当造成的散射, 使其纯样品的太赫兹时域光谱表征受到系统信噪比的限制, 通常需要将待测物均匀分布于对太赫兹波透明且可塑性极强的聚合物载体中。 聚合物载体的使用导致实验直接测定的混合物介电常数中也包含了聚合物的介电影响, 无法直接用于计算待测物质的极化率。 针对这一问题, 将嵌于聚合物载体中的有机晶体整体等效为聚合物、 空气气隙和待测样品三组份混合介质模型, 结合各组份体积占比以Landau, Lifshitz and Looyenga有效介质模型从实验测得的混合物介电常数中移除聚合物和空气气隙的影响, 获取待测物的太赫兹本征介电常数, 从而进一步结合Clausius-Mossotti关系式计算其太赫兹极化率。 选取水杨酸晶体为研究对象, 利用所提出的理论方案, 从聚乙烯和聚四氟乙烯两种聚合物载体三种浓度混合物的原始介电常数中, 提取出了具有高度一致性的本征介电常数和太赫兹极化率, 验证了方法的有效性, 并利用实验结果首次报道了水杨酸晶体的太赫兹极化率, 在聚乙烯和聚四氟乙烯载体中的测定值分别为(17.2±0.2)和(17.6±1.0)3。
极化率 太赫兹时域光谱技术 有效介质理论 聚合物载体 水杨酸 Polarizability Terahertz time-domain spectroscopy Effective medium theory Polymer matrix Salicylic acid 光谱学与光谱分析
2021, 41(6): 1688
1 输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学), 重庆 400044
2 Department of Physics, University of Warwick, Coventry, CV47AL, UK
太赫兹时域光谱技术已经用于皮肤癌、 皮肤烧伤以及皮肤疤痕治疗效果的诊断和过程监测, 通常采用太赫兹时域和频域光谱参数作为区分皮肤组织不同状态的诊断参量。 目前最常用的皮肤活体反射式太赫兹测量装置需将皮肤放置于介质窗上来提高测量的准确性, 这使得皮肤表层水分含量因为阻塞而发生变化, 从而影响太赫兹诊断皮肤的精确性。 随着太赫兹生物应用从离体检测到活体测量方向发展, 需要分析阻塞情况下皮肤太赫兹光谱参数的变化规律。 采用太赫兹反射系统对手臂皮肤在石英介质窗上的阻塞过程进行了连续测量, 然后对不同时刻时域波形的峰峰值、 半波脉宽等13个特征量进行了分析。 结果表明: 时域信号和传递函数的峰峰值、 最大值与最小值之间的拟合斜率等参量随阻塞时间而呈指数衰减; 传递函数的最大值与最小值时间差、 最大值与最小值的斜率等随阻塞时间呈指数增加; 时域波形的半峰全宽、 对数频谱等保持不变。 然后用双德拜模型来模拟皮肤组织在0.2～1 THz频段的介电常数, 采用遗传算法和Levenberg-Marquardt相结合的优化算法得到了皮肤阻塞情况下不同时刻的双德拜参数, 结果表明: ε∞和εs均随着时间呈指数上升, 5 min内增幅分别达到了27.8%和12.5%; ε2、 弛豫时间常数τ1和τ2基本保持不变。 将皮肤组织视为多层媒质结构, 基于Bruggeman有效介质模型, 将计算得到的太赫兹反射率和测量得到的反射率作为目标函数, 再采用上述混合优化算法得出了皮肤含水量随时间的变化规律。 结果表明: 随着阻塞时间的增加, 皮肤角质层中的水分以指数函数的形式增加, 5 min的阻塞时间即可增加23.8%。 因此, 在进行临床应用和研究时, 必须谨慎考虑皮肤与介质窗接触阻塞而导致的参数变化。 该研究有利于提高太赫兹活体检测的准确性和推动太赫兹时域光谱技术的临床应用。
皮肤组织 含水量 太赫兹 时域光谱 双德拜模型 有效介质理论 Skin tissues Water concentration Terahertz Time domain spectroscopy Double Debye model Effective medium theory
Author Affiliations
Abstract
Institute of Electromagnetics and Acoustics and Key Laboratory of Electromagnetic Wave Science and Detection Technology, Xiamen University, Xiamen 361005, China
Effective medium theory is a powerful tool to solve various problems for achieving multifarious functionalities and applications. In this article, we present a concise empirical formula about effective permittivity of checkboard structures for different directions. To verify our empirical formula, we perform simulations of checkboard periodic structures in squares, rectangles, and sectors in two dimensions. Our results show that the formula is valid in a large range of parameters. This work provides a new way to understand and design composite materials, which might lead to further optical applications in transformation optics.
effective medium theory checkboard structures effective permittivity Chinese Optics Letters
2020, 18(7): 072401
