超材料太赫兹光电导发射天线的研究

As a typical emission source of terahertz waves, the basic elements in the framework of the photoconductive antenna (PC antenna) have been widely studied. However, the signal to noise ratio, the frequency bandwidth, the divergence angle and the robustness of the PC antenna are still far below the needs of various terahertz applications. Therefore, the main research scheme in this proposal, is to introduce metamaterial--which is a new kind of artificial electromagnetic devices--into the PC antenna for achieving excellent terahertz emission properties. The elaborated researches include: the study on the fundamental theory of the electromagnetic interaction between the various metamaterials and the PC antenna; building the effective circuit model of the PC antenna including metamaterial elements; numerical design of the metamaterial assisted terahertz PC antennas with outstanding and novel performances; the research on the fabrication process of the metamaterial integrated PC antenna; based on the the near- and far-field terahertz time-domain spectroscopy system, carrying on the experimental studies on the fabricated antenna samples for understanding the role of the metamaterials in the optimization of the PC antenna; exploiting novel metamaterial assisted PC antennas with enhanced terahertz emission performances. This proposal will pave a new way for terahertz development and applications.

太赫兹光电导发射天线是一类典型的太赫兹源，其基本构架内的各个要素都得到了广泛的研究，但其信噪比、频谱宽度、发散角和鲁棒性等性能仍不能满足应用的需求，为此，本项目拟将超材料（Metamaterial）这种新型人工电磁媒质引入太赫兹光电导天线的基本构架中，以显著提升太赫兹光电导天线的性能。具体研究内容包括：深入研究超材料与太赫兹光电导天线相互作用的基础理论，创建涵盖超材料这一要素的新型太赫兹光电导天线等效电路模型，运用数值模拟平台，设计具有优异、新颖性能的超材料集成入光电导天线，并在制备平台中探索超材料太赫兹光电导天线的制备流程；在光纤化太赫兹时域光谱系统和近场太赫兹时域光谱系统中，对加工出的超材料天线进行远场和近场的实验研究，明确各种超材料对太赫兹光电导天线的优化机制，并开发出太赫兹辐射性能得到显著提升的新型光电导天线，为推动太赫兹科学的进一步发展奠定坚实基础。

太赫兹光电导发射天线是一类重要的太赫兹源，自其发明后变得到了广泛的研究，但其信噪比、频谱宽度、发散角和鲁棒性等性能仍不能满足应用的需求，为此，因此在本项目的资助下，项目负责人带领研究小组将超材料（Metamaterial）这种新型人工电磁媒质引入光电导天线的基本构架中，开展了超材料太赫兹光电导天线的深入研究。研究内容具体包括：1）深入地研究了纳米级和微米级的、介质柱和开口谐振环超材料与泵浦光和太赫兹波的相互作用的基础理论，建立起了涵盖超材料的太赫兹天线理论模型。建立了超材料光电导天线的模拟、制备、表征平台；2）研发了集成砷化镓基纳米超材料的光电导天线，实现了对泵浦光的吸收增强，提升了太赫兹辐射功率；研发了集成硅基超表面透镜的光电导天线，实现了用高效率、超薄的超表面取代超半球硅透镜来准直太赫兹波；研发了集成SRR的光电导天线，实现了对太赫兹传输线模式的操控。3）研发了一系列太赫兹波段超表面功能器件，包括：太赫兹波段的准晶超表面，柔性隐身超表面和超表面透镜；三波长太赫兹表面波复用超表面；类二聚体等离激元谐振超表面；立体SRR组成的PIT超材料和太赫兹表面等离子极化激元波导。这些功能器件为将来集成在光电导天线上，实现特定功能和优异性能的太赫兹光电导天线打下良好基础，较好的完成了所有既定研究目标。项目研究所产生的原创性成果推动了光电导天线和超材料两个领域的深入结合，在包括《Advanced Optical Materials》、《Journal of Materials Science》、《Optics Express》、《IEEE Photonics Journal》、《Scientific Reports》《IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics》等国际高水平学术刊物上发表论文10篇，申请超材料光电导发射天线的发明专利3项，项目负责人2017年获国家自然科学基金优秀青年科学基金资助，于2019年因太赫兹亚波长光子学研究方面的成绩获得教育部自然科学一等奖(排名第三)。