基于石墨烯的太赫兹主被动调制和传感研究

Terahertz technologies are attracting a great deal of attention nowadays, with numerous applications and one of tendencies towards novel terahertz devices research. This proposal proposes research on terahertz modulation and sensing based on graphene and metamaterials and is divided into three parts. First, we will study the passive terahertz modulation mechanism of graphene and metamaterial. Second, we will will study the active terahertz modulation mechanism of graphene and metamaterial. At last, we will study the sensing mechanism of this modulation system. Through experimental observation and theoretical analysis, we can fabricate broadband, large modulation depth,high quality and fast response terahertz modulators and apply the modulators to sensing. Based on this mechanism and devices, we can get novel techniques of terahertz modulation and sensing.

本项目依据当今太赫兹科学技术发展的趋势，针对目前太赫兹新型功能器件的研究需求，提出基于石墨烯的太赫兹波主被动调制与传感研究。通过实验观测与系统理论分析总结，揭示石墨烯被动调制太赫兹波机理、石墨烯主动调制太赫兹波机理、微量物质传感机理等太赫兹调制和传感过程中所蕴含的基本物理规律与机理，并通过对这些机理的掌握，探索具有宽频带响应、大振幅或相位调制深度、高品质因子、高灵敏度以及快调制速率的太赫兹调制器，继而将其用于微量物质传感领域，通过主被动器件制备和传感演示验证形成新型的太赫兹调制和传感技术。

本项目的研究目标和研究内容是基于石墨烯在太赫兹波段电导率能够被外界条件显著改变的特性，研究不同结构和参数的石墨烯及石墨烯与超材料结合的太赫兹波调制特性，在光激励、电激励以及光电混合激励条件下，获得具有宽调制频带、大调制深度、高品质因子和快响应速率太赫兹波调制器件，以实现太赫兹波振幅、相位、偏振态、传播速度、空间传播方向等物理量调制，并利用该调制系统吸附分子，改变石墨烯局部载流子浓度，即改变石墨烯在太赫兹波段的电导率，从而使太赫兹波传输特性（如振幅、相位、偏振、传播方向等）发生改变，最终实现该系统的传感和成像功能。. 本项目达成了上述研究的主要目标，研制成系列基于石墨烯的主被动太赫兹调制器件，在光电激励下，实现了对太赫兹振幅、相位、偏振、传播速度及空间传播方向的调制，利用亚波长光栅和石墨烯结合实现了对太赫兹电场的亚波长局域，并能利用离子凝胶电控调谐，能够用于增强折射率传感，并基于压缩感知原理实现了对太赫兹的单像素成像。. 本项目完成了三方面主要内容：a. 被动式太赫兹调制器件研究:利用金属超表面系统研究了太赫兹波段电磁诱导透明现象，研究了不同几何构型和偏振对太赫兹波的被动调制作用，实现了偏振不依赖的太赫兹振幅和相位调制，相关结果发表在Optics Express上。该工作为石墨烯太赫兹超表面调制太赫兹波奠定了研究基础。b. 光电激励主动式太赫兹调制器件的研究:将石墨烯与金属光栅结构结合，实现了可以电调制的完美太赫兹吸收体。金属光栅结构的引入，大幅增强了太赫兹与石墨烯之间的相互作用，降低了实现完美吸收所需的石墨烯层电导率。此外，对上述器件中所用的凝胶电调制石墨烯方法的调制速度及其中的回滞现象进行了系统的实验研究和分析。该工作发表于Advanced Optical Materials和Carbon，为后续基于石墨烯的太赫兹调制器件提供了设计思路，对基于石墨烯调制器件的发展具有重要指导意义。c. 太赫兹传感成像研究:将单像素压缩感知技术引入太赫兹近场和超表面全息中。 用光电调制器来空间调制太赫兹波，并对测得的时域信号进行快速傅立叶变换以获得特定频率的信号，TVAL3等算法被用于重建图像。 该工作发表于Applied Physics Letters和IEEE Photonics Journal，对快速超分辨率太赫兹单像素成像技术具有重要意义。