应用于太赫兹成像的左手材料焦平面阵列研究

Based on the novel idea of combining the theory of left-handed materials and terahertz imaging applications, we originally proposed a new type left-handed materials focal plane array (LHM-FPA). The absorber of LHM-FPA can absorb terahertz radiation broadband and super highly, then convert it into heat; Heat will lead the composite beam to thermal deformation when it's transferred to the beam. Then terahertz image can be obtained by optical readout system. Electromagnetic theory and equivalent circuit method will be used to establish the physical model of the array. The terahertz frequency response characteristics of the LHM-FPA will be analysised and tested. The temperature distribution, thermal conductivity and other thermal effects characteristic of the LHM-FPA will be studied using the finite element method. By using microfabrication technology, we will finish the fabrication of LHM-FPA. We will study the relationship between geometric parameters, electromagnetic parameters and thermal effects parameters through theory, simulation and experimental methods. An accurate theoretical system about LHM-FPA thermal effects of THz radiation will be got. The research results will provide theoretical basis and technical support for design of the left-handed materials, terahertz imaging technology, microfabrication technology ,etc.

基于左手材料理论和太赫兹成像应用相结合的新思路，原创性地提出了一种新型左手材料焦平面阵列。焦平面的吸收板实现了对太赫兹辐射的宽频超强吸收，并转化成热量；热量传递到焦平面像素的复合梁时，导致其热形变，然后通过光学读取方式可获得相应的太赫兹成像。利用电磁场理论和等效电路原理建立阵列的物理模型，分析和测试其太赫兹频率响应特性；利用有限元方法对焦平面阵列的温度分布、热传导等热效应特性进行模拟研究。基于成熟的微细加工技术，制作出左手材料焦平面阵列。通过理论、仿真和实验结合的方法，研究几何参数、电磁参数和热效应参数之间的影响关系，获得一套准确的左手材料焦平面阵列对太赫兹辐射宽频超强吸收的热效应理论体系。项目研究成果将为左手材料的设计、太赫兹成像技术、微细加工技术等提供理论依据和技术支持。

本项目基于左手材料理论和太赫兹成像应用相结合的新思路，原创性地提出了一种新型左手材料焦平面阵列。该芯片利用左手材料开口谐振环和周期性金阵列作为频率选择机构。利用双材料悬臂梁SiNx/Au作为热机械响应结构。根据有限元理论，并利用仿真软件ANSYS对焦平面阵列的温度分布、热传导等热效应特性进行了模拟研究。根据电磁场理论和等效电路原理建立了阵列的物理模型，并利用电磁场有限元分析软件CST进行了分析和仿真，获得了器件在1.3THz频率附近的太赫兹频率响应特性。根据设计和仿真的结果，设计出了太赫兹焦平面阵列芯片结构，像素单元尺寸150umx150um，阵列大小100x100。根据MEMS加工技术，设计出了太赫兹芯片的制作掩膜版图和工艺流程。经过对重点单项的实验验证，完成了集成工艺优化，并最终完成流片，制作出完好的太赫兹芯片。通过在THz-TDS时域光谱系统上对该芯片的光谱响应特性进行了测试和研究，获得了该芯片在中心频率1.36THz高达90.6%吸收率的优异性能。并且发现在入射角度为60度的条件下出现了宽频吸收特性，实现了项目研究的目标。搭建了芯片的热机械响应测试系统，并测试出芯片的热机械响应系数为0.06度/℃。该项目研究成果获得了航天、军工部门的关注，已经联合中国科学院国家空间中心等单位以太赫兹光谱成像应用为目标在JW相关部门申请立项，将为该项目的进一步深入研究提供了细化目标和应用前景。项目研究成果还将为左手材料的设计、太赫兹成像技术、微细加工技术等提供理论依据和技术支持。