電磁超材料因具有特殊的物理性質(zhì)以及在電磁波操控方面的重要應(yīng)用而備受關(guān)注。本文綜述了太赫茲超材料及其成像應(yīng)用的研究進展:首先介紹了太赫茲超材料的研究概況,重點討論了可調(diào)諧與可重構(gòu)太赫茲超材料、太赫茲數(shù)字編碼與現(xiàn)場可編程超材料的研究進展;在此基礎(chǔ)上,闡述了太赫茲超材料在成像領(lǐng)域的應(yīng)用,包括基于超表面透鏡、超材料吸波器、可重構(gòu)超表面和現(xiàn)場可編程超表面的太赫茲成像技術(shù);最后討論了太赫茲超材料及其成像應(yīng)用發(fā)展趨勢。功能可重構(gòu)及智能化將是太赫茲超材料的重要發(fā)展方向,而新興的信息超材料融合了超材料與信息技術(shù)也將使太赫茲成像更加高效便捷。 

【文章來源】：材料工程. 2020,48(06)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：11 頁

【部分圖文】：

太赫茲磁超材料(a)[25]與吸波器件(b)示意圖[29]

圖1 太赫茲磁超材料(a)[25]與吸波器件(b)示意圖[29]電磁超表面,作為一種兩維形式的超材料,吸引了廣泛的研究興趣。相比于三維超材料,超表面單元具有深亞波長厚度,其對于電磁波的操控不依賴于空間上的相位累加,而是依據(jù)相鄰單元之間的相位梯度(不連續(xù)分布),實現(xiàn)對電磁波波前、振幅、相位和極化等性質(zhì)的操控[31]。因此,采用超表面方案有益于設(shè)計超輕超薄、易共形的太赫茲器件,例如超表面異常反射/折射器件、極化轉(zhuǎn)換器、低散射器件等[32-35]。圖2(a)為波束異常偏折超表面的結(jié)構(gòu)示意圖。其單元由8種具有不同相位的諧振器組成,可以實現(xiàn)360°的相位覆蓋。通過超表面與一對正交光柵的組合,可以實現(xiàn)透射式的太赫茲線極化波的異常偏折和高效極化轉(zhuǎn)換[32]。如圖2(b)所示,采用類工字型單元結(jié)構(gòu)設(shè)計了一種線極化波轉(zhuǎn)換器件[33]。如圖2(c)所示,通過設(shè)計具有不同振幅和相位響應(yīng)的超表面單元的排布方式,可以實現(xiàn)太赫茲波束的超低散射(雷達散射截面縮減,即RCS縮減)和電磁隱身[35]。因此,太赫茲超表面器件可以實現(xiàn)對太赫茲波束的靈活操控且具有質(zhì)量輕、易共形的優(yōu)勢。

二氧化釩(VO2)是一種典型的相變材料,其金屬-絕緣體相變溫度約為68 ℃,可以通過施加強電場、激光或壓力誘導(dǎo)相變。絕緣態(tài)VO2的太赫茲介電常數(shù)約為9,隨溫度升高,其電導(dǎo)率增加,外延VO2薄膜的電導(dǎo)率可以達到105 S/m,因此需考慮復(fù)介電常數(shù)[42]。VO2在可調(diào)諧超材料器件中得到了廣泛應(yīng)用[43]。圖3(d)為VO2/超材料濾波器結(jié)構(gòu)示意圖[44]。研究結(jié)果表明,隨著溫度由25 ℃上升到90 ℃,其諧振濾波頻率由約0.41 THz藍移至約0.54 THz。Hillman等[45]采用VO2設(shè)計了一種寬帶的太赫茲移相器,在220～250 GHz頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)了超過300°的移相,這可以應(yīng)用于包括波束掃描在內(nèi)的太赫茲波束操控。基于介質(zhì)材料(如金屬鈦酸鹽)的超材料及器件也具有隨溫度可調(diào)的特點[46]。磁性材料在可調(diào)諧超材料中也具有廣泛的應(yīng)用。Bi等[47]采用Mn-Zn微波鐵氧體材料設(shè)計了磁超材料單元,并通過與金屬線單元進行復(fù)合,實現(xiàn)了熱可調(diào)的負折射率(鐵氧體具有亞鐵磁-順磁相變,因此其磁響應(yīng)性質(zhì)與溫度相關(guān))。此外,采用鐵氧體基超材料可以實現(xiàn)磁可調(diào)的寬帶微波濾波器[48]。圖3(e)給出了一種磁可調(diào)的太赫茲調(diào)制器示意圖,其主要構(gòu)成包括太赫茲超材料層和磁流體層,其中磁流體層為Fe3O4納米材料。結(jié)果表明,當(dāng)磁場偏置的強度為194 mT時,太赫茲透射幅度的調(diào)制深度可達到34%[49]。


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