南京邮电大学 电子与光学工程学院，南京 210023
提出了一种结构简单的广角稳定太赫兹可调谐超表面吸波器，利用液晶材料电可调谐的性质，实现超表面吸波器吸收频率的调谐。利用液晶材料介电常数张量进行材料建模，模拟了液晶材料的各向异性特性。为了提高设计效率，得到良好的吸波性能和可调谐性能，利用粒子群算法对超表面吸波器单元结构进行了逆向设计；并对设计的超表面吸波器特性进行研究。结果表明，利用粒子群算法可以高效地逆向设计出性能良好超表面吸波器，当对吸波器施加的电压在0~10 V范围内连续调谐时，实现了TE模式吸波频率在404.4~444.4 GHz范围内连续可调谐，频率可调谐性为9%，吸收率大于99%；TM模式吸波频率在404.4~425.4 GHz范围内连续可调谐，频率可调谐性为4.64%，吸收率大于99%；当斜入射角度为60°时，吸收率仍大于94%，具有大角度入射稳定性和吸收频率稳定性。本文设计的太赫兹超表面吸波器具备高吸收率、大频率可调谐性、广角稳定性和低控制电压等优点，具有广泛的应用价值。
液晶 超表面 粒子群优化 可调谐 吸波器 Liquid crystal Metasurface Particle swarm optimization Tunable Absorber 光子学报
2023, 52(10): 1052421
1 河北工程大学数理科学与工程学院, 河北省计算光学成像与光电检测技术创新中心,河北省计算光学成像与智能感测国际联合研究中心, 河北 邯郸 056038
2 首都师范大学物理系,超材料与器件北京市重点实验室, 太赫兹光电子教育部重点实验室,北京成像理论与技术创新中心, 北京 100048
太赫兹超材料吸波器具有吸收强、厚度薄、质量轻等优点, 已被广泛应用于隐身材料、频率选择表面、太赫兹成像、通信传感等方面。但是, 基于金属结构的传统太赫兹超材料吸波器一旦完成加工后, 它的吸收性能是固定不变的。为解决这一问题, 研究人员通过引入活性超材料设计了可调谐太赫兹超材料吸波器。结合可调谐太赫兹超材料吸波器的国内外研究现状, 分类阐述了几类典型的可调谐太赫兹超材料吸波器, 重点对单频带、多频带、宽频带以及可切换双功能太赫兹超材料吸波器的相关研究工作进行了梳理与总结, 并对其未来发展趋势进行了分析。
光电子学 可调谐吸波器 太赫兹波 活性超材料 optoelectronics tunable absorber terahertz wave active metamaterial
1 安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001
2 枣庄学院光电工程学院，山东 枣庄 277160
提出一种动态可调谐的窄/宽带可切换的太赫兹吸波器，它由可调谐材料石墨烯和二氧化钒（VO2）、金和环烯烃类共聚物构成。通过热控VO2产生相变，吸波器可以在宽带和窄带间切换，其开关幅度达到98.9%。当VO2为金属相时，该吸波器具有很宽的吸收带宽，通过进一步改变石墨烯的费米能级可以调节吸波器的带宽。该吸波器还呈现出对横电（TE）和横磁（TM）波都具有广角吸收的特点。当VO2处于绝缘相时，该器件切换为窄带吸波器，可用于传感器，其灵敏度可达439 GHz/RIU。该太赫兹吸波器在调制、传感和电磁隐身等多功能器件方面有很多潜在的应用价值。
材料 太赫兹吸波器 石墨烯 二氧化钒 窄/宽带切换 动态调谐 光学学报
2022, 42(19): 1916001
1 合肥工业大学光电技术研究院特种显示与成像技术安徽省技术创新中心，安徽 合肥 230009
2 合肥工业大学仪器科学与光电工程学院测量理论与精密仪器安徽省重点实验室，安徽 合肥 230009
设计了一种基于介质谐振器的水基微波吸波器。介质谐振器包括两个长方体介质板和一个十字形空腔，并在其内部充满水以实现宽带微波吸收效果。不同于传统水基超材料中相互独立的水基单元，本设计中十字形空腔所形成的水流通道横截面面积达到3 mm×3 mm，可确保阵列中水流畅通，因此该结构满足水冷工作要求，可实现大功率微波的无衰减吸收。仿真结果表明，在21.8～35.9 GHz 的微波频段内，吸波器对入射电磁波的吸收率大于90%，相对吸收带宽为48.9%。此外，该吸波器对入射波的偏振不敏感，在宽频段范围内对大入射角电磁波仍有高吸收效果。通过3D打印技术实现了样品加工，实验结果与模拟结果吻合良好。该吸波器在宽带大功率微波吸收领域有较大的应用潜力。
材料 超材料 吸波器 宽带 大功率 水基介质 中国激光
2022, 49(21): 2103001
内蒙古大学电子信息工程学院，内蒙古 呼和浩特 010021
传统的超材料吸波器设计方法严重依赖于设计人员的知识、经验和直觉，无法实现超材料的快速设计。近年来，基于人工智能技术的超材料逆设计方法发展迅速，但该方法难以应对不同尺寸的设计，容易陷入局部最优状态，并且尚无针对超材料吸波器的专用设计方法。针对以上问题，提出一种基于改进粒子群算法的超材料吸波器快速设计方法，采用自动寻峰技术计算超材料吸波器的吸收特性，实现对超材料金属谐振层的寻优与逆设计。结果表明，使用基于粒子群算法的超材料快速设计方法可设计出类似人工设计的结果，在0.3122 THz处实现了对入射电磁波的近乎完美吸收。通过以待测分析物代替原有中间介质层等方法可有效增强待测分析物与谐振磁场的耦合，提升了超材料吸波器的传感特性。与传统的超材料设计方法相比，基于粒子群算法的超材料吸波器逆设计方法降低了对设计人员的电磁学理论及仿真经验的要求，设计出的微腔结构超材料吸波器比使用连续介质层的超材料吸波器具有更好的传感性能。基于粒子群算法的超材料吸波器逆设计方法为超材料吸波体传感器的设计提供了新的思路，具有广阔的应用前景。
传感器 太赫兹 超材料吸波器 粒子群算法 超材料逆设计 中国激光
2022, 49(17): 1714001
红外与激光工程
2022, 51(2): 20210878
1 中北大学理学院物理系，山西 太原 030051
2 中北大学南通智能光机电研究院，江苏 南通 226000
3 中北大学微系统集成研究中心，山西 太原 030051
4 中北大学前沿交叉科学研究院，山西 太原 030051
设计了一种方形对称型的超材料太赫兹多频吸波器，可解决吸波器高频、多频、高吸收率的问题。这种太赫兹吸波器由金属-介质-金属结构组成，底层为金属薄膜，中间层为聚碳酸酯介质基板，顶层为方形对称的金属谐振结构。采用时域有限差分法对吸波器的透反射性能进行模拟仿真，通过计算得到该吸波器在3~10 THz频率范围内有5个较为明显的谐振吸收峰，吸收峰所在频率分别为4.8 THz、6.55 THz、6.85 THz、7.65 THz及7.88 THz，这些吸收峰的吸收率分别可以达到98.56%、99%、99.64%、99%及90.39%，实现了多频高吸收率的特性，并且该吸波器对入射角不敏感，在大角度入射下依然可以保持优异的吸收特性。该款吸收器的单元尺寸为50 μm×50 μm×9.6 μm，可用于多功能、多通道、多频通信及隐身领域，起到防治电磁污染、消除电磁干扰、提高**战斗能力的作用。
材料 超材料 吸波器 多频 太赫兹 激光与光电子学进展
2022, 59(5): 0516001
强激光与粒子束
2021, 33(10): 103005
北京交通大学光波技术研究所全光网络与现代通信网教育部重点实验室, 北京 100044
提出了一个新型水基宽带超材料吸波结构,利用水在微波波段优异的电磁特性,使该结构对于入射电磁波的吸收率在8.2~78.32 GHz频段内始终保持90%以上。当电磁波的入射角度变化时,吸波器仍然具有优异的吸收性能,尤其是在横磁模式下,即使入射角度达到70°时吸收率基本仍能全部保持在90%以上;由于设计的吸波器为完全的中心对称结构,因此极化角度对其吸收特性的影响十分微弱;调整温度在0~100 ℃范围内变化时,该吸波器在整个仿真频段内几乎始终保持90%以上的高吸收率。所提出的吸波结构不仅具有宽带高吸收率特性,且具有广角入射、极化无关以及热稳定的优异性能。该吸波结构可通过3D打印技术进行制备,大大降低了制作的复杂度和成本,对于新型宽带介质吸波器的应用和发展具有十分重要的作用。
材料 超材料 超宽带 吸波器 广角 热稳定 中国激光
2021, 48(16): 1613002
内蒙古大学电子信息工程学院, 内蒙古 呼和浩特 010021
基于三维开口谐振环(SRR)阵列和微流通道,在太赫兹频段内实现了一款基于超材料吸波器的高灵敏度折射率传感器,三维SRR阵列完全浸没于微流通道内,注入微流通道内的液相分析物在作为被测分析物的同时还充当了超材料吸波器的中间介质层。当微流通道的高度固定为33.1 μm,而注入微流通道内的液相分析物的折射率从1.0变化到1.8时,该太赫兹超材料吸波器可作为折射率传感器,对应的折射率频率灵敏度达到379 GHz/RIU。仿真结果表明,该太赫兹超材料吸收体传感器的谐振电磁场被扩展到三维空间,并在微流通道内得到了很大程度的集中和增强,从而实现了谐振电磁场与待测分析物的空间重叠,增强了谐振电磁场与被测分析物之间的相互作用,进而实现了对液相分析物的高灵敏度传感。同样基于CST Microwave Studio仿真软件仿真研究了微流通道的高度和顶层覆盖电介质的厚度对超材料吸收体传感器的折射率灵敏度的影响。通过选择合适的微流通道高度和覆盖电介质厚度可获得更高的折射率灵敏度。总之,基于三维SRR阵列和微流通道的太赫兹超材料吸收体传感器具有更高的品质因数和折射率频率灵敏度,在无标记的快速生物医学传感中具有潜在的应用。
探测器 太赫兹 超材料吸波器 三维开口谐振环 微流通道 传感器 光学学报
2020, 40(19): 1904001
