单负全介质超材料太赫兹选频反射器的米氏共振特性研究

Based on Mie resonances in the single-negative, all-dielectric metamaterials, the frequency-selective reflector with high reflection, modulated frequency as well as bandwith and all-angles has become a key problem to be solved urgently at terahertz (THz) frequencies for development of THz radar imaging, wireless communication, low-loss resonant cavity and other fields. In this project, various kinds of frequency-selective THz reflectors composed of all-dielectric metamaterials will be theoretically and experimentally investigated on the basis of our previous achievements. We will first design and measure the THz responses of Mie electric and magnetic resonances and the corresponding spectra of transmission, absorption and reflection in the single-negative, all-dielectric metamaterials as a function of the geometry parameters and material parameters. Then, we will obtain the optional parameters with the goal of the less dissipation and broad bandwidth, together with all-angle reflector. Finally, based on the experimental results mentioned above, we study the physical mechanisms of the Mie resomances, which determine the macroscopic permittivity and permeability of the material. In addition, such single-negative, all-dielectric metamaterials will be designed to the all-angles, broad bandwidth and low-price THz reflector and offer more potential applications.

基于全介质超材料的选频反射器具有反射率高、频率和带宽易调节、方位角不敏感的优势，对实现太赫兹波段雷达成像、无线通信、低损耗谐振腔等应用至关重要。本项目在前期工作成果的基础上，拟从理论和实验两方面系统研究不同结构全介质超材料基于米氏共振特性实现的太赫兹选频反射器。首先从设计材料微结构和改变微结构材料出发，测试一系列单负全介质超材料中电共振和磁共振在太赫兹波段的透射、吸收及反射特性，进而得到决定全角度、超宽谱太赫兹反射器的各种参数优化条件，最终建立较为完整的理论模型揭示米谐振调控材料宏观介电系数和磁导率的物理机理，并研制角度不敏感、频谱响应范围宽、价格相对较低的太赫兹高反射器件，对推动太赫兹技术的发展具有重要意义。

本项目针对当前THz雷达成像、无线通信和低损耗谐振腔等领域对全角度、带宽可控的THz选频反射器的重大需求，围绕单负全介质超材料组成的选频反射器件对太赫兹波的高反射、全方位传输特性与调控特性展开理论和实验研究，取得的主要成果如下：(1) 设计并加工了一种非均匀硅基光栅，不但具有频带宽、反射率高等优点，还具有结构简单、体积小、易于加工制作和工艺容差大等特征。(2) 选用聚酰亚胺柔性薄膜作为基底材料，设计制作了一种频率可调的太赫兹带阻反射器及带通滤波系统。该滤波器件具有0.5-2.0THz范围内中心频率连续可调、损耗小、灵敏度高、集成小型化、成本低等一系列优点，对THz 波段雷达系统、无线通信、低损耗谐振腔、生物分子检测、细胞检测等应用至关重要。（3）利用介质球的“太赫兹喷射”效应，提出了一种介质球耦合太赫兹成像方法，实现超衍射极限的空间分辨率。（4）利用太赫兹时域光谱技术和超材料生物传感芯片，通过设计基于超薄柔性衬底的多开口环超材料共振结构，建立了转基金DNA和黄曲霉毒素等生物试剂的定性识别方法以及定量检测的分析模型，实现了该类样品的高灵敏、无标记和低剂量的快速检测。（5）分别利用激光直写加工系统和微模板辅助自组装（MTAS）方法，实现全介质超表面THz反射器的低成本、大面积可控制备。. 基于以上研究，发表学术论文18篇（其中SCI论文15篇，中科院二区论文6篇），受理发明专利3项，授权实用新型专利2项，批准软件著作权2项。建立一支稳定的科研队伍，培养硕士研究生8名，其中6名顺利获得硕士学位；指导本科生十余名，其中一人获得北京市优秀本科毕业设计（每年每学院仅一名），指导本科生参加学科竞赛获得省部级以上奖项5项。完成了项目的预期目标。