太赫兹编码超材料

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太赫兹作为微波与红外之间的桥梁具有独特的性质,因而成为近些年来研究的热点,但是以前的研究点侧重于太赫兹波的吸收、透射、幅度和相位调控等,相应的太赫兹波吸收器、调制器、开关等器件得到了空前的发展,而对于太赫兹波的反射调控研究的相对较少,并且先前的研究通常都是利用宏观连续的等效媒质参数来分析超材料对太赫兹波的作用。而编码超材料概念的提出打破了传统的分析方法,例如1bit的编码超材料,其利用二进制数“0”,“1”来定义具有0度和180度反射相位的两个单元结构,赋予其数字状态,这样我们只需要利用“0”、“1”来产生不同的编码序列用来构建不同编码超材料便可实现对太赫兹波的不同调控,实现不同的功能。本文基于编码超材料的思想,先后设计了四种基本单元结构来实现太赫兹编码超材料,并通过不同的编码序列实现对反射太赫兹波的多种调控,主要研究成果如下:1.设计了一种金属开槽轮结构,通过改变金属开槽轮结构的半径大小获得设计3bit编码超材料所需要的8种基本单元,利用这8个基本单元设计了具有不同编码序列的1bit、2bit、3bit太赫兹编码超材料来实现对频率为1.2THz的太赫兹波的不同调控,使垂直入射太赫兹波向特定方向反射。本节论文已发表在OPTICS EXPRESS的第24期25卷29983-29992页(SCI)。2.设计了一种由四个箭头相连组成的超表面单元结构作为编码超材料的基本单元结构,通过该单元结构进行了两种编码方式,一种为规则编码,另一种为随机编码序。通过规则编码在1THz频率下实现了使太赫兹波向特定方向反射功能,并在频率0.8、1.0、1.2、1.4THz下进行仿真证明其宽频特性。另外,通过MATLAB产生的随机编码序列,分别设计了一种2bit和3bit随机编码超材料,并通过仿真计算证明了它在减少雷达散射截面功能上具有偏振不敏感特性。本节论文已发表在JOURNAL OF PHYSICS D-APPLIED PHYSICS的第18期51卷185105页(SCI)。3.基于Pancharatnam-Berry(PB)相位原理设计了一种金属单元结构并通过旋转它获得了设计太赫兹编码超材料所需的基本单元结构。利用基本单元结构设计不同编码序列3bit规则编码超材料,并通过仿真计算证明它对左圆偏振、右圆偏振和线偏振具有偏振独立特性。另外,利用随机编码序列分别设计1比特,2比特和3比特随机编码超材料,并仿真计算证明了它对减少RCS具有偏振不敏感性和宽带特性,RCS减少接近10dB的最大带宽可达到0.8THz(范围从0.8THz到1.6THz)。本节论文已发表在IEEE PHOTONICS JOURNAL的第10期5卷1-12页(SCI)。4.在0.40.75THz频带内设计了一种风车形结构,通过精心选取该单元结构的长度,获取到4个基本单元用于构建太赫兹频率编码超材料。4个基本单元的长度分别为30μm、72μm、80μm和85μm。并且这四个基本单元在初始频率0.4THz处,具有近似相等的初始反射相位α0≈5π/6,在截止频率0.75THz处,相邻基本单元之间的相位差约为90度;而在初始频率与截止频率之间,基本单元之间具有不同的线性系数(相位灵敏度)α1。同时对α0和α1进行数字编码并设计多种排列方式形成了两种1bit、两种2bit和一种非周期太赫兹频率编码超材料,通过改变编码超材料的工作频率而不需重新设计编码序列即可实现动态控制太赫兹波的辐射能量分配。
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