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 山西工程科技职业大学信息工程学院，山西 晋中 030619
2 中北大学仪器与电子学院，山西 太原 030051
3 昆士兰大学，澳大利亚昆士兰 布里斯班 4072
设计了一种四宽带且吸收率动态可调的太赫兹吸收器，该吸收器结构简单，由顶层二氧化钒、中间层二氧化硅和底层金属组成。仿真结果表明，在0~10 THz范围内，吸收率超过90%的吸收带共有4个，带宽分别为0.87、0.58、0.61、0.45 THz。随二氧化钒电导率的变化，吸收率可在7.7%~99.9%范围内动态调节。引入阻抗匹配理论和法布里-珀罗共振理论解释了吸收器的物理机理，并通过电场分布分析了多个完美吸收峰的物理来源。此外，该吸收器还具有偏振不敏感和广角吸收的特点，可在微辐射计、生物传感器和隐身技术等领域应用。
光学器件 超材料 太赫兹吸收器 可调谐吸收器 宽带
江西师范大学物理与通信电子学院，江西 南昌 330022
提出一种基于两相交开口谐振环（TI-SRR）的超材料太赫兹带阻滤波器，通过改变TI-SRR线宽、环间间隔和半径大小，探究各参数对滤波器透射系数的影响。研究了超材料太赫兹带阻滤波器三个谐振点处的电场和表面电流分布，进而分析了滤波器的工作机理。为了验证理论模型的计算结果，采用微纳光刻技术制备滤波器的实物样品，使用太赫兹时域光谱系统进行测试。结果表明，该滤波器有3个谐振点，谐振频率分别为0.431、0.476、0.934 THz，对应的透射系数（S21）分别为42.518、40.331、14.132 dB，10 dB阻带带宽分别为0.220 THz和0.026 THz。实测曲线整体趋势与仿真曲线保持一致，阻带特性相较良好，测试结果与仿真结果较为符合。该滤波器在新型通信设备和精密仪器领域有较高的应用价值。
超材料 太赫兹 带阻滤波器 微纳光刻 太赫兹时域光谱
武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室，湖北 武汉 430081
基于时域有限差分法仿真模拟了毫米级超材料的中远红外光谱响应，并结合电场散射效应分析了毫米方形图案的边缘电场分布对红外反射率的影响。通过参数扫描法优化得到了方形单元的最优厚度。将边缘区域离散化为独立单元，并将x、y方向分别设置为完美匹配层（PML）、periodic边界条件，通过迭代计算及加权叠加获得了毫米方形超材料的红外光谱响应及电场分布。结果表明，该超材料在2~16 μm内的红外反射率保持在81.9%以上，最高可达87.05%。当图案占空比相同时，单元周期的减小增强了超材料边缘区域的电场散射效应，导致其在8~10 μm远红外波段内的反射率保持在84.25%以上。实测结果与仿真结果较好地吻合，这为毫米级红外辐射抑制超材料的设计提供了新的思路。
光学设计 毫米级超材料 电场散射效应 时域有限差分法 中远红外高反射
Author Affiliations
Abstract
1 State Key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices, School of Optoelectronic Science and Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, China
2 School of Electronic Science and Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, China
We report a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) compatible metamaterial-based spectrally selective absorber/emitter (MBSSAE) for infrared (IR) stealth, which has the low absorption/emissivity in the IR atmospheric transmission window (3 μm-5 μm, 8 μm-14 μm) and ultra-high and broadband absorption/emissivity in the IR non-atmospheric window (5 μm-8 μm). We propose a novel method for the broadband absorption/emissivity in 5 μm-8 μm with incorporation of an epsilon-near-zero (ENZ) material between the top patterned aluminum (Al) disks layer and the silicon oxide (SiO2) spacer layer. With an appropriate design, the peaks in the IR atmospheric transmission window can be suppressed while the peak intensity in the non-atmospheric window remains high. The optimized MBSSAE has an average absorption/emissivity less than 10% in 8 μm - 14 μm and less than 6% in 3 μm - 5 μm. And the average absorption/emissivity in 5 μm -8 μm is approximately over 64%. This proposed scheme may introduce the opportunities for the large-area and low-cost infrared stealth coating, as well as for the radiative cooling, spectral selective thermal detector, optical sensor, and thermophotovoltaic applications.
Metamaterials infrared stealth ENZ mode Rabi splitting broadband thermal emitter Photonic Sensors
2023, 13(2): 230231
Author Affiliations
Abstract
1 Nanophotonics Research Center, Institute of Microscale Optoelectronics & State Key Laboratory of Radio Frequency Heterogeneous Integration, Shenzhen University, Shenzhen, China
2 Department of Precision Instruments, Tsinghua University, Beijing, China
3 Center for Optics, Photonics and Lasers, Laval University, Quebec, Canada
4 Research Institute of Intelligent Sensing, Research Center for Humanoid Sensing,Zhejiang Lab, Hangzhou, China
Diffractive optical elements (DOEs) are intricately designed devices with the purpose of manipulating light fields by precisely modifying their wavefronts. The concept of DOEs has its origins dating back to 1948 when D. Gabor first introduced holography. Subsequently, researchers introduced binary optical elements (BOEs), including computer-generated holograms (CGHs), as a distinct category within the realm of DOEs. This was the first revolution in optical devices. The next major breakthrough in light field manipulation occurred during the early 21st century, marked by the advent of metamaterials and metasurfaces. Metasurfaces are particularly appealing due to their ultra-thin, ultra-compact properties and their capacity to exert precise control over virtually every aspect of light fields, including amplitude, phase, polarization, wavelength/frequency, angular momentum, etc. The advancement of light field manipulation with micro/nano-structures has also enabled various applications in fields such as information acquisition, transmission, storage, processing, and display. In this review, we cover the fundamental science, cutting-edge technologies, and wide-ranging applications associated with micro/nano-scale optical devices for regulating light fields. We also delve into the prevailing challenges in the pursuit of developing viable technology for real-world applications. Furthermore, we offer insights into potential future research trends and directions within the realm of light field manipulation.
diffractive optical elements metasurfaces metamaterials Photonics Insights
2023, 2(4): R09
1 南京信息工程大学电子与信息工程学院，江苏 南京 210044
2 海南大学应用科技学院，海南 儋州 571737
3 哈尔滨工业大学电子与信息工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001
4 南京航空航天大学航天学院，江苏 南京 210016
5 加拿大国立科学研究院，加拿大 蒙特利尔 H5A1K6
提出了一种新型的多功能超材料滤波器/屏蔽器，其具有双频段极化独立控制、多模式可切换等特点。与传统器件不同的是，所提出的设计能够独立控制横电（TE）或横磁（TM）极化波在不同频段的透射和反射，并且通过设置不同的二极管偏置电压，可以实现4种不同的工作模式。该结构基于等效电路模型，采用多层滤波结构设计，通过在顶层和底层加载PIN二极管实现TE和TM极化波在低频段和高频段的独立控制。在传输模式下，TE和TM波分别在3.6 GHz和4.6 GHz附近得以传输；在屏蔽模式下，该结构可以有效地阻挡入射极化波。每种模式都有非常稳定的工作状态，不会受到其他工作模式的影响。此外，该设计在0°~45°入射范围内具有良好的角度稳定性。这种多模式超材料结构可以应用于天线罩等领域，天线传输信号时能满足对特定极化信号的需求，待机时可以屏蔽信号以减少干扰。
材料 超材料 多模式可切换超材料 极化可独立调控结构 天线罩 光学学报
2023, 43(23): 2316001
北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院，北京 100192
超透镜是一种近年来新兴的基于超材料的先进平面光学装置，可以高自由度设计入射光的振幅、相位和偏振度以满足应用要求。超透镜可以通过不同的结构设计实现多种功能，例如达到衍射极限的聚焦、像差消除等。本文总结了超透镜的发展过程、基本原理和应用；基于激发原理将超透镜归纳为等离激元型和介质型，基于功能性将其归纳为变焦距型、像差消除型，以及宽带无色散型；分类综述了超透镜的最新进展和研究趋势；总结了相关研究的参数数据、优缺点、商业化进程并展望了未来。本文的主要目的是让读者全面了解超透镜，并为设计高性能的超透镜提供潜在的灵感。
材料 超材料 超表面 超透镜 多功能集成 激光与光电子学进展
2023, 60(21): 2100004
1 枣庄学院 光电工程学院，山东 枣庄 277100
2 枣庄学院 信息科学与工程学院，山东 枣庄 277100
提出一种石墨烯-金属超材料复合太赫兹传感器，充分利用石墨烯能带Dirac点附近费米能级对样品的灵敏响应结合超材料表面强局域电场实现了对谷氨酸溶液浓度的多维超灵敏传感。实验结果表明，传感器在频率f =0.58 THz处存在一个明显的透射峰，且该透射峰幅值随谷氨酸溶液浓度的增加先升高后降低。若以透射峰幅值作为传感指标，器件能够探测到的最低浓度在10−1 fg/mL量级。另外，从传感器的透射波相位差-频率关系曲线中提取的斜率与浓度具有类线性关联，这意味着相位差信息也可以作为有效的传感指标。结合透射幅值和相位差两个传感指标，器件可以实现对谷氨酸溶液浓度的超灵敏精确检测。文中提出的器件为发展基于太赫兹超材料的超灵敏氨基酸传感器提供了帮助。
太赫兹超材料 传感器 石墨烯 多维超灵敏 terahertz metamaterials sensors graphene multi-dimension and ultra-sensitivity 红外与激光工程
2023, 52(9): 20230045
浙江科技学院信息与电子工程学院，浙江 杭州 310023
提出一种太赫兹（THz）超构材料的湿度传感器，可用于测量4%~76.1%范围内的空气湿度。该湿度传感器由周期排列的哑铃型不锈钢孔构成，其工作波段位于太赫兹波段。仿真结果表明，该传感器具有较高的折射率灵敏度。为进一步提高对湿度的灵敏度，还选择对水分子较敏感的丝素蛋白作为湿敏材料，将其涂覆于传感器表面。研究表明，该传感器的湿度灵敏度仿真和实验结果分别为0.20 GHz/%和0.11 GHz/%，高于已有报道的一些超构材料湿度传感器。
材料 超材料 湿度传感器 太赫兹 丝素蛋白 光学学报
2023, 43(19): 1916001
