2017年 10卷 第1期
2017, 10(1): 1-12.
doi: 10.3788/CO.20171001.0001
摘要
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摘要:
本文系统地对编码超材料、数字超材料及现场可编程超材料的新进展进行了综述，讨论其对电磁波的实时调控和构造多功能器件的能力。首先，引入1-bit编码超材料，由“0”和“1”两种编码单元构成，分别对应于相位相反的电磁响应。通过控制不同的“0”和“1”编码序列，可以调控电磁波，并实现不同功能。这种1-bit编码超材料可以扩展到2-bit，甚至更高比特。其次，介绍了一种由开关二极管来控制的数字编码超材料，每个编码单元可通过二极管的开和关来获得不同的相位响应，进而获得不同的数字态。结合现场可编程门阵列（FPGA）控制系统，实现了对数字超材料的实时可编程设计，构造出现场可编程超材料。最后，研究了编码超材料对太赫兹波的调控，包括太赫兹波宽带漫散射及其对目标雷达散射截面（RCS）的缩减、各向异性编码超材料对太赫兹波的极化调控和波束调控等。数值仿真和实验测试结果吻合很好，验证了编码超材料的出色性能，展示了编码超材料调控电磁波的多功能性。编码超材料对微波及太赫兹波的实时控制可用于制作波束分离、波束偏折、极化转换等功能器件，也可在宽带范围内有效缩减目标RCS。
本文系统地对编码超材料、数字超材料及现场可编程超材料的新进展进行了综述，讨论其对电磁波的实时调控和构造多功能器件的能力。首先，引入1-bit编码超材料，由“0”和“1”两种编码单元构成，分别对应于相位相反的电磁响应。通过控制不同的“0”和“1”编码序列，可以调控电磁波，并实现不同功能。这种1-bit编码超材料可以扩展到2-bit，甚至更高比特。其次，介绍了一种由开关二极管来控制的数字编码超材料，每个编码单元可通过二极管的开和关来获得不同的相位响应，进而获得不同的数字态。结合现场可编程门阵列（FPGA）控制系统，实现了对数字超材料的实时可编程设计，构造出现场可编程超材料。最后，研究了编码超材料对太赫兹波的调控，包括太赫兹波宽带漫散射及其对目标雷达散射截面（RCS）的缩减、各向异性编码超材料对太赫兹波的极化调控和波束调控等。数值仿真和实验测试结果吻合很好，验证了编码超材料的出色性能，展示了编码超材料调控电磁波的多功能性。编码超材料对微波及太赫兹波的实时控制可用于制作波束分离、波束偏折、极化转换等功能器件，也可在宽带范围内有效缩减目标RCS。
2017, 10(1): 13-24.
doi: 10.3788/CO.20171001.0013
摘要:
介绍了蓝区无机薄膜电致发光材料的应用、电致发光器件的发光原理及结构类型，综述了蓝区无机薄膜电致发光材料的种类及其各自存在的问题，重点概述了已实用化的蓝区无机电致发光材料GaN的研究及应用现状。由于目前多数蓝光芯片核心技术被少数国外公司垄断，我国所掌握的技术离世界先进水平仍有相当大的差距，因此迫切需要国内能够加大对蓝区电致发光材料的研发。
介绍了蓝区无机薄膜电致发光材料的应用、电致发光器件的发光原理及结构类型，综述了蓝区无机薄膜电致发光材料的种类及其各自存在的问题，重点概述了已实用化的蓝区无机电致发光材料GaN的研究及应用现状。由于目前多数蓝光芯片核心技术被少数国外公司垄断，我国所掌握的技术离世界先进水平仍有相当大的差距，因此迫切需要国内能够加大对蓝区电致发光材料的研发。
2017, 10(1): 25-38.
doi: 10.3788/CO.20171001.0025
摘要:
简明介绍了光学合成孔径的两种成像方式和光学波段合成孔径的发展概况。全面介绍镜面拼接、稀疏孔径和位相阵列3种合成孔径结构系统国内外发展现状。归纳出了目前光学合成孔径技术在天基和地基观测系统的发展趋势及技术难题。与传统单一口径的光学系统相比，光学合成孔径系统具有更高的分辨率、镜面加工难度低、易折叠、重量轻等特点，是实现高分辨率光学成像系统的一种重要且有效途径。
简明介绍了光学合成孔径的两种成像方式和光学波段合成孔径的发展概况。全面介绍镜面拼接、稀疏孔径和位相阵列3种合成孔径结构系统国内外发展现状。归纳出了目前光学合成孔径技术在天基和地基观测系统的发展趋势及技术难题。与传统单一口径的光学系统相比，光学合成孔径系统具有更高的分辨率、镜面加工难度低、易折叠、重量轻等特点，是实现高分辨率光学成像系统的一种重要且有效途径。
2017, 10(1): 39-50.
doi: 10.3788/CO.20171001.0039
摘要:
介绍了基于几何莫尔条纹原理和衍射干涉原理的两种光栅精密位移测量系统及各自的特点。综述了国内外对光栅干涉式精密位移测量系统的研究进展，总结了系统存在的关键问题及发展趋势。光栅干涉式精密位移测量系统的优点是对环境要求小，测量分辨率和精度较高，结构紧凑，成本低。该系统需要解决的问题包括提高光栅以及光学元器件制造和安装精度；寻求一种更高精度的检测手段对光栅位移测量系统进行标定等。光栅干涉式精密位移测量系统的发展方向为更高测量分辨率和精度，大量程、多维度测量以及尺寸小巧。该系统在现代工业加工精密制造领域将具有更广阔的应用前景。
介绍了基于几何莫尔条纹原理和衍射干涉原理的两种光栅精密位移测量系统及各自的特点。综述了国内外对光栅干涉式精密位移测量系统的研究进展，总结了系统存在的关键问题及发展趋势。光栅干涉式精密位移测量系统的优点是对环境要求小，测量分辨率和精度较高，结构紧凑，成本低。该系统需要解决的问题包括提高光栅以及光学元器件制造和安装精度；寻求一种更高精度的检测手段对光栅位移测量系统进行标定等。光栅干涉式精密位移测量系统的发展方向为更高测量分辨率和精度，大量程、多维度测量以及尺寸小巧。该系统在现代工业加工精密制造领域将具有更广阔的应用前景。
2017, 10(1): 51-67.
doi: 10.3788/CO.20171001.0051
摘要:
固态等离激元太赫兹波器件正成为微波毫米波电子器件技术和半导体激光器技术向太赫兹波段发展和融合的重要方向之一。本综述介绍AlGaN/GaN异质结高浓度和高迁移率二维电子气中的等离激元调控、激发及其在太赫兹波探测器、调制器和光源中应用的近期研究进展。通过光栅和太赫兹天线实现自由空间太赫兹波与二维电子气等离激元的耦合，通过太赫兹法布里-珀罗谐振腔进一步调制太赫兹波模式，增强太赫兹波与等离激元的耦合强度。在光栅-谐振腔耦合的二维电子气中验证了场效应栅控的等离激元色散关系，实现了等离激元模式与太赫兹波腔模强耦合产生的等离极化激元模式，演示了太赫兹波的调制和发射。在太赫兹天线耦合二维电子气中实现了等离激元共振与非共振的太赫兹波探测，建立了太赫兹场效应混频探测的物理模型，指导了室温高灵敏度自混频探测器的设计与优化。研究表明，基于非共振等离激元激发可发展形成室温高速高灵敏度的太赫兹探测器及其焦平面阵列技术。然而，固态等离激元的高损耗特性仍是制约基于等离激元共振的高效太赫兹光源和调制器的主要瓶颈。未来的研究重点将围绕高品质因子等离激元谐振腔的构筑，包括固态等离激元物理、等离激元谐振腔边界的调控、新型室温高迁移率二维电子材料的运用和高品质太赫兹谐振腔与等离激元器件的集成等。
固态等离激元太赫兹波器件正成为微波毫米波电子器件技术和半导体激光器技术向太赫兹波段发展和融合的重要方向之一。本综述介绍AlGaN/GaN异质结高浓度和高迁移率二维电子气中的等离激元调控、激发及其在太赫兹波探测器、调制器和光源中应用的近期研究进展。通过光栅和太赫兹天线实现自由空间太赫兹波与二维电子气等离激元的耦合，通过太赫兹法布里-珀罗谐振腔进一步调制太赫兹波模式，增强太赫兹波与等离激元的耦合强度。在光栅-谐振腔耦合的二维电子气中验证了场效应栅控的等离激元色散关系，实现了等离激元模式与太赫兹波腔模强耦合产生的等离极化激元模式，演示了太赫兹波的调制和发射。在太赫兹天线耦合二维电子气中实现了等离激元共振与非共振的太赫兹波探测，建立了太赫兹场效应混频探测的物理模型，指导了室温高灵敏度自混频探测器的设计与优化。研究表明，基于非共振等离激元激发可发展形成室温高速高灵敏度的太赫兹探测器及其焦平面阵列技术。然而，固态等离激元的高损耗特性仍是制约基于等离激元共振的高效太赫兹光源和调制器的主要瓶颈。未来的研究重点将围绕高品质因子等离激元谐振腔的构筑，包括固态等离激元物理、等离激元谐振腔边界的调控、新型室温高迁移率二维电子材料的运用和高品质太赫兹谐振腔与等离激元器件的集成等。
2017, 10(1): 68-76.
doi: 10.3788/CO.20171001.0068
摘要:
太赫兹（THz）实时成像是THz技术中颇具潜力的一个领域，具有成像速度快、成像分辨率高等特点，基于THz量子级联激光器（QCL）的实时成像系统是其中最重要的一种，系统体积小、重量轻、成像信噪比高等特点使其在实际应用中具有独特的优势。本文主要介绍了THz QCL器件及其实时成像系统的研究进展，采用超半球高阻硅透镜改善了THz QCL的输出激光，实现了准高斯光束输出，搭建了基于二维摆镜消干涉技术的THz实时成像系统，单帧成像光斑面积45 mm×30 mm，实现了对刀片、药片的实时成像演示，成像分辨率优于0.5 mm；最后对成像系统激光源、成像光路和探测端的改进以及成像效果的改善方面进行了综述，并探讨了THz实时成像系统未来的发展趋势及其在材料分析和生物医学成像方面的应用前景。
太赫兹（THz）实时成像是THz技术中颇具潜力的一个领域，具有成像速度快、成像分辨率高等特点，基于THz量子级联激光器（QCL）的实时成像系统是其中最重要的一种，系统体积小、重量轻、成像信噪比高等特点使其在实际应用中具有独特的优势。本文主要介绍了THz QCL器件及其实时成像系统的研究进展，采用超半球高阻硅透镜改善了THz QCL的输出激光，实现了准高斯光束输出，搭建了基于二维摆镜消干涉技术的THz实时成像系统，单帧成像光斑面积45 mm×30 mm，实现了对刀片、药片的实时成像演示，成像分辨率优于0.5 mm；最后对成像系统激光源、成像光路和探测端的改进以及成像效果的改善方面进行了综述，并探讨了THz实时成像系统未来的发展趋势及其在材料分析和生物医学成像方面的应用前景。
2017, 10(1): 77-85.
doi: 10.3788/CO.20171001.0077
摘要:
高性能的太赫兹器件在控制太赫兹波方面起到重要的作用，因此寻求一种简单有效的太赫兹器件加工方案非常必要。本文以太赫兹波导和太赫兹滤波器为例，分别选用Kagome型光子晶体结构的波导和一维光子晶体结构的滤波器，运用商用的3D打印机加工样品，并采用透射式太赫兹时域光谱系统对样品的参数进行测量。实验结果表明：加工的波导在0.2~1.0 THz范围内传输损耗平均值约为0.02 cm-1，最小值可达到0.002 cm-1，且可运用机械拼接的方式将多个波导进行简单的连接从而获得更长的波导而不引起严重的损耗；滤波器的透射谱在0.1~0.5 THz之间有两个明显高损耗带；这两组实验结果均与理论预计非常接近。本文运用太赫兹波导和滤波器的实例证实了3D打印技术加工太赫兹器件的可行性，将会成为获取性能可控、价格低廉的太赫兹器件的有效途径。
高性能的太赫兹器件在控制太赫兹波方面起到重要的作用，因此寻求一种简单有效的太赫兹器件加工方案非常必要。本文以太赫兹波导和太赫兹滤波器为例，分别选用Kagome型光子晶体结构的波导和一维光子晶体结构的滤波器，运用商用的3D打印机加工样品，并采用透射式太赫兹时域光谱系统对样品的参数进行测量。实验结果表明：加工的波导在0.2~1.0 THz范围内传输损耗平均值约为0.02 cm-1，最小值可达到0.002 cm-1，且可运用机械拼接的方式将多个波导进行简单的连接从而获得更长的波导而不引起严重的损耗；滤波器的透射谱在0.1~0.5 THz之间有两个明显高损耗带；这两组实验结果均与理论预计非常接近。本文运用太赫兹波导和滤波器的实例证实了3D打印技术加工太赫兹器件的可行性，将会成为获取性能可控、价格低廉的太赫兹器件的有效途径。
2017, 10(1): 86-97.
doi: 10.3788/CO.20171001.0086
摘要:
石墨烯是一种有着独特电学和光学性质的二维材料，近年来在太赫兹波动态调制的研究中有着广泛的应用。本文主要对基于石墨烯的太赫兹波动态调制器件进行了综述，分析了电调制、光调制和光电混合调制3种调制方法的原理和优缺点，介绍了近几年来将石墨烯应用于太赫兹波动态调制所取得的一系列科研成果，着重对不同器件的调制性能进行了对比，分析了优势和不足。石墨烯可调超材料为实现更快速、高效的太赫兹调制器件提供了新的思路。
石墨烯是一种有着独特电学和光学性质的二维材料，近年来在太赫兹波动态调制的研究中有着广泛的应用。本文主要对基于石墨烯的太赫兹波动态调制器件进行了综述，分析了电调制、光调制和光电混合调制3种调制方法的原理和优缺点，介绍了近几年来将石墨烯应用于太赫兹波动态调制所取得的一系列科研成果，着重对不同器件的调制性能进行了对比，分析了优势和不足。石墨烯可调超材料为实现更快速、高效的太赫兹调制器件提供了新的思路。
2017, 10(1): 98-113.
doi: 10.3788/CO.20171001.0098
摘要:
麦克斯韦方程中的介质响应特性一般由本构关系中的介电函数ε（ω）和磁导率μ（ω）来描述，对于介质中传播的电磁场，通常存在两个独立的本征传播模式，它们是齐次麦克斯韦方程组的特解，各自具有特定的色散关系和偏振态。如果介质中传播的电磁场为两个本征模分量的线性迭加，其偏振态将会随着传播的过程而改变。常见的现象有各向异性晶体中的双折射、超材料中的偏振调制效应、自然界中手性材料的旋光响应以及外磁场作用下产生的Faraday效应等。本文从测量方法、数据处理、测量精度等方面介绍太赫兹时域偏振检测系统及其发展状况，特别是利用线栅、超材料以及光学手段调制太赫兹电场偏振态的方法。对近几年太赫兹偏振检测系统在分析手性超材料、太赫兹圆二色谱以及Faraday效应等实验中的应用进行了总结和讨论。最后展望了太赫兹偏振检测系统未来进一步的发展空间及应用前景。
麦克斯韦方程中的介质响应特性一般由本构关系中的介电函数ε（ω）和磁导率μ（ω）来描述，对于介质中传播的电磁场，通常存在两个独立的本征传播模式，它们是齐次麦克斯韦方程组的特解，各自具有特定的色散关系和偏振态。如果介质中传播的电磁场为两个本征模分量的线性迭加，其偏振态将会随着传播的过程而改变。常见的现象有各向异性晶体中的双折射、超材料中的偏振调制效应、自然界中手性材料的旋光响应以及外磁场作用下产生的Faraday效应等。本文从测量方法、数据处理、测量精度等方面介绍太赫兹时域偏振检测系统及其发展状况，特别是利用线栅、超材料以及光学手段调制太赫兹电场偏振态的方法。对近几年太赫兹偏振检测系统在分析手性超材料、太赫兹圆二色谱以及Faraday效应等实验中的应用进行了总结和讨论。最后展望了太赫兹偏振检测系统未来进一步的发展空间及应用前景。
2017, 10(1): 114-121.
doi: 10.3788/CO.20171001.0114
摘要:
太赫兹波由于其极低的光子能量和对非极性物质较强的穿透特性已成为人体隐匿物检测应用的热点。本文以室内人体隐匿物品探测为主要应用背景，简要介绍了太赫兹波段的大气传播特性；重点分析了基于辐射检测的室内被动太赫兹成像原理和系统的关键技术，包括辐射计和阵列扫描方式等；回顾了国内外被动太赫兹成像技术在人体安检领域的研究现状。综合考虑系统成本和成像时间，一定数量的高灵敏度辐射计加上扫描机构成像的方式在未来很长一段时间里将是被动太赫兹成像系统的主流方式。
太赫兹波由于其极低的光子能量和对非极性物质较强的穿透特性已成为人体隐匿物检测应用的热点。本文以室内人体隐匿物品探测为主要应用背景，简要介绍了太赫兹波段的大气传播特性；重点分析了基于辐射检测的室内被动太赫兹成像原理和系统的关键技术，包括辐射计和阵列扫描方式等；回顾了国内外被动太赫兹成像技术在人体安检领域的研究现状。综合考虑系统成本和成像时间，一定数量的高灵敏度辐射计加上扫描机构成像的方式在未来很长一段时间里将是被动太赫兹成像系统的主流方式。
2017, 10(1): 122-130.
doi: 10.3788/CO.20171001.0122
摘要:
太赫兹波段占有宇宙微波背景（CMB）辐射以后宇宙空间近一半的光子能量，该波段在天文学研究中具有不可替代的作用，因此太赫兹天文学的研究，具有极其重要的科学意义。本文系统介绍了基于超高灵敏度太赫兹超导探测技术的太赫兹相干探测器发展状况，包括超导隧道结混频器（SIS）和超导热电子混频器（HEB），以及以超导动态电感探测器（MKIDs）和超导相变边缘探测器（TES）为代表的非相干探测器的研究。在此基础上，展望了该领域未来发展趋势，对我国太赫兹天文探测技术的发展具有一定的参考意义。
太赫兹波段占有宇宙微波背景（CMB）辐射以后宇宙空间近一半的光子能量，该波段在天文学研究中具有不可替代的作用，因此太赫兹天文学的研究，具有极其重要的科学意义。本文系统介绍了基于超高灵敏度太赫兹超导探测技术的太赫兹相干探测器发展状况，包括超导隧道结混频器（SIS）和超导热电子混频器（HEB），以及以超导动态电感探测器（MKIDs）和超导相变边缘探测器（TES）为代表的非相干探测器的研究。在此基础上，展望了该领域未来发展趋势，对我国太赫兹天文探测技术的发展具有一定的参考意义。
2017, 10(1): 131-147.
doi: 10.3788/CO.20171001.0131
摘要:
随着太赫兹成像技术的不断成熟，其空间分辨率和系统信噪比逐渐提高，成像速度逐渐加快，光学信息获取能力逐渐变强，人们对太赫兹成像在基础研究和工业应用的开发也逐渐深入。本文综述了近年来科研人员利用太赫兹数字全息成像系统进行的部分研究工作，包括对平板太赫兹元件的性能表征、对光控太赫兹元件的功能验证、对衍射太赫兹场中的纵向分量进行观测、以及对金属亚波长器件的太赫兹表面波进行分析。这些工作的完成对于太赫兹集成系统的研究和太赫兹成像技术的应用都具有积极的推动作用。
随着太赫兹成像技术的不断成熟，其空间分辨率和系统信噪比逐渐提高，成像速度逐渐加快，光学信息获取能力逐渐变强，人们对太赫兹成像在基础研究和工业应用的开发也逐渐深入。本文综述了近年来科研人员利用太赫兹数字全息成像系统进行的部分研究工作，包括对平板太赫兹元件的性能表征、对光控太赫兹元件的功能验证、对衍射太赫兹场中的纵向分量进行观测、以及对金属亚波长器件的太赫兹表面波进行分析。这些工作的完成对于太赫兹集成系统的研究和太赫兹成像技术的应用都具有积极的推动作用。
