太赫兹超材料及其成像应用研究进展
发布时间：2021-07-29 17:26
电磁超材料因具有特殊的物理性质以及在电磁波操控方面的重要应用而备受关注。本文综述了太赫兹超材料及其成像应用的研究进展:首先介绍了太赫兹超材料的研究概况,重点讨论了可调谐与可重构太赫兹超材料、太赫兹数字编码与现场可编程超材料的研究进展;在此基础上,阐述了太赫兹超材料在成像领域的应用,包括基于超表面透镜、超材料吸波器、可重构超表面和现场可编程超表面的太赫兹成像技术;最后讨论了太赫兹超材料及其成像应用发展趋势。功能可重构及智能化将是太赫兹超材料的重要发展方向,而新兴的信息超材料融合了超材料与信息技术也将使太赫兹成像更加高效便捷。
【文章来源】：材料工程. 2020,48(06)北大核心EICSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
太赫兹磁超材料(a)[25]与吸波器件(b)示意图[29]
图1 太赫兹磁超材料(a)[25]与吸波器件(b)示意图[29]电磁超表面,作为一种两维形式的超材料,吸引了广泛的研究兴趣。相比于三维超材料,超表面单元具有深亚波长厚度,其对于电磁波的操控不依赖于空间上的相位累加,而是依据相邻单元之间的相位梯度(不连续分布),实现对电磁波波前、振幅、相位和极化等性质的操控[31]。因此,采用超表面方案有益于设计超轻超薄、易共形的太赫兹器件,例如超表面异常反射/折射器件、极化转换器、低散射器件等[32-35]。图2(a)为波束异常偏折超表面的结构示意图。其单元由8种具有不同相位的谐振器组成,可以实现360°的相位覆盖。通过超表面与一对正交光栅的组合,可以实现透射式的太赫兹线极化波的异常偏折和高效极化转换[32]。如图2(b)所示,采用类工字型单元结构设计了一种线极化波转换器件[33]。如图2(c)所示,通过设计具有不同振幅和相位响应的超表面单元的排布方式,可以实现太赫兹波束的超低散射(雷达散射截面缩减,即RCS缩减)和电磁隐身[35]。因此,太赫兹超表面器件可以实现对太赫兹波束的灵活操控且具有质量轻、易共形的优势。
二氧化钒(VO2)是一种典型的相变材料,其金属-绝缘体相变温度约为68 ℃,可以通过施加强电场、激光或压力诱导相变。绝缘态VO2的太赫兹介电常数约为9,随温度升高,其电导率增加,外延VO2薄膜的电导率可以达到105 S/m,因此需考虑复介电常数[42]。VO2在可调谐超材料器件中得到了广泛应用[43]。图3(d)为VO2/超材料滤波器结构示意图[44]。研究结果表明,随着温度由25 ℃上升到90 ℃,其谐振滤波频率由约0.41 THz蓝移至约0.54 THz。Hillman等[45]采用VO2设计了一种宽带的太赫兹移相器,在220～250 GHz频率范围内实现了超过300°的移相,这可以应用于包括波束扫描在内的太赫兹波束操控。基于介质材料(如金属钛酸盐)的超材料及器件也具有随温度可调的特点[46]。磁性材料在可调谐超材料中也具有广泛的应用。Bi等[47]采用Mn-Zn微波铁氧体材料设计了磁超材料单元,并通过与金属线单元进行复合,实现了热可调的负折射率(铁氧体具有亚铁磁-顺磁相变,因此其磁响应性质与温度相关)。此外,采用铁氧体基超材料可以实现磁可调的宽带微波滤波器[48]。图3(e)给出了一种磁可调的太赫兹调制器示意图,其主要构成包括太赫兹超材料层和磁流体层,其中磁流体层为Fe3O4纳米材料。结果表明,当磁场偏置的强度为194 mT时,太赫兹透射幅度的调制深度可达到34%[49]。
本文编号：3309741
【文章来源】：材料工程. 2020,48(06)北大核心EICSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
太赫兹磁超材料(a)[25]与吸波器件(b)示意图[29]
图1 太赫兹磁超材料(a)[25]与吸波器件(b)示意图[29]电磁超表面,作为一种两维形式的超材料,吸引了广泛的研究兴趣。相比于三维超材料,超表面单元具有深亚波长厚度,其对于电磁波的操控不依赖于空间上的相位累加,而是依据相邻单元之间的相位梯度(不连续分布),实现对电磁波波前、振幅、相位和极化等性质的操控[31]。因此,采用超表面方案有益于设计超轻超薄、易共形的太赫兹器件,例如超表面异常反射/折射器件、极化转换器、低散射器件等[32-35]。图2(a)为波束异常偏折超表面的结构示意图。其单元由8种具有不同相位的谐振器组成,可以实现360°的相位覆盖。通过超表面与一对正交光栅的组合,可以实现透射式的太赫兹线极化波的异常偏折和高效极化转换[32]。如图2(b)所示,采用类工字型单元结构设计了一种线极化波转换器件[33]。如图2(c)所示,通过设计具有不同振幅和相位响应的超表面单元的排布方式,可以实现太赫兹波束的超低散射(雷达散射截面缩减,即RCS缩减)和电磁隐身[35]。因此,太赫兹超表面器件可以实现对太赫兹波束的灵活操控且具有质量轻、易共形的优势。
二氧化钒(VO2)是一种典型的相变材料,其金属-绝缘体相变温度约为68 ℃,可以通过施加强电场、激光或压力诱导相变。绝缘态VO2的太赫兹介电常数约为9,随温度升高,其电导率增加,外延VO2薄膜的电导率可以达到105 S/m,因此需考虑复介电常数[42]。VO2在可调谐超材料器件中得到了广泛应用[43]。图3(d)为VO2/超材料滤波器结构示意图[44]。研究结果表明,随着温度由25 ℃上升到90 ℃,其谐振滤波频率由约0.41 THz蓝移至约0.54 THz。Hillman等[45]采用VO2设计了一种宽带的太赫兹移相器,在220～250 GHz频率范围内实现了超过300°的移相,这可以应用于包括波束扫描在内的太赫兹波束操控。基于介质材料(如金属钛酸盐)的超材料及器件也具有随温度可调的特点[46]。磁性材料在可调谐超材料中也具有广泛的应用。Bi等[47]采用Mn-Zn微波铁氧体材料设计了磁超材料单元,并通过与金属线单元进行复合,实现了热可调的负折射率(铁氧体具有亚铁磁-顺磁相变,因此其磁响应性质与温度相关)。此外,采用铁氧体基超材料可以实现磁可调的宽带微波滤波器[48]。图3(e)给出了一种磁可调的太赫兹调制器示意图,其主要构成包括太赫兹超材料层和磁流体层,其中磁流体层为Fe3O4纳米材料。结果表明,当磁场偏置的强度为194 mT时,太赫兹透射幅度的调制深度可达到34%[49]。
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