1 中国航空制造技术研究院，高能束流加工技术重点实验室，北京 100024
2 北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京 100190
提出了一种拉伸-扭转耦合变形的新型力学超结构，该结构可在轴向拉伸的同时显著提升其截面扭转能力。针对这种简单构型的力学超材料胞元结构进行了建模，并通过胞元堆叠的方式设计了具有拉伸-扭转耦合变形能力的宏观梁结构。通过有限元分析方法研究了胞元的拉伸刚度和拉伸-剪切变形耦合特性，验证了宏观梁结构的变形性能并分析了相关参数，采用激光选区烧结（SLS）技术制备样品进行了实验验证。结果显示：四胞元悬臂梁的扭转角明显大于双胞元悬臂梁，在46.69 N拉力作用下，它们分别产生了0.667°和0.479°的扭转角，与有限元分析结果具有较好的一致性。此外，相比于双胞元悬臂梁，四胞元组合堆叠悬臂梁在质量上仅增加了2.77%，但耦合系数却增大了42.97%，这表明四胞元堆叠悬臂梁具有更优的拉伸-扭转耦合特性。宏观梁结构中的扭转变形近似成线性累积，可通过增加胞元组合的堆叠次数增大其扭转角。
超材料 结构设计 胞元堆叠 增材制造 中国激光
2024, 51(10): 1002311
1 合肥工业大学光电技术研究院特种显示与成像技术安徽省技术创新中心，安徽 合肥 230009
2 合肥工业大学仪器科学与光电工程学院测量理论与精密仪器安徽省重点实验室，安徽 合肥 230009
提出了一种基于柔性超材料的高灵敏度拉力传感器，该超材料传感器由刻蚀在聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜表面的多方形谐振单元的平面阵列组成。拉伸柔性PDMS薄膜会改变谐振单元的结构参数，进而使传感器的谐振频率产生变化。该超材料传感器可以同时实现应变或拉力的高灵敏度检测。同时，谐振结构中央的方形连接环起到了不对称分裂间隙的作用，激发了具有更高Q值的高阶谐振模式，实现了更高的频谱分辨率。实验结果表明，施加拉力从0增大至1.2 N时，结构尺寸拉伸率达到初始状态的1.2倍，超材料的谐振峰频率从109.23 GHz红移到99.42 GHz。该传感器可以实现8.43 GHz/N的高灵敏度拉力传感。耐久性测试表明在该样品的使用中至少可以经历100次拉伸-松弛循环。所提出的传感器具有灵敏度高、加工方便、成本低和无线测量的优点，具有潜在的应用价值。
传感器 拉力传感器 柔性 超材料 光谱 高灵敏度
Author Affiliations
Abstract
1 ShanghaiTech University, School of Information Science and Technology, Shanghai, China
2 Shanghai Normal University, Mathematics and Science College, Department of Physics, Shanghai, China
3 Shanghai Engineering Research Center of Energy Efficient and Custom AI IC, Shanghai, China
Carbon-based materials, such as graphene and carbon nanotubes, have emerged as a transformative class of building blocks for state-of-the-art metamaterial devices due to their excellent flexibility, light weight, and tunability. In this work, a tunable carbon-based metal-free terahertz (THz) metasurface with ultrabroadband absorption is proposed, composed of alternating graphite and graphene patterns, where the Fermi level of graphene is adjusted by varying the applied voltage bias to achieve the tunable ultrabroadband absorption characteristics. In particular, when the Fermi level of graphene is 1 eV, the absorption coefficient exceeds 90% from 7.24 through 16.23 THz, and importantly, the absorption bandwidth reaches as much as 8.99 THz. In addition, it is polarization-insensitive to incident waves and maintains a high absorption rate at an incident angle of up to 50 deg. This carbon-based device enjoys higher absorption bandwidth, rates, and performance compared to conventional absorbers in the THz regime and can be potentially applied in various fields, including THz wave sensing, modulation, as well as wearable health care devices, and biomedicine detection.
terahertz metamaterial metasurface absorber grahene graphite carbon Advanced Photonics Nexus
2024, 3(1): 016007
1 中国计量大学光学与电子科技学院，浙江 杭州 310018
2 西安应用光学研究所，陕西 西安 710065
在太赫兹频段，为解决FP干涉滤光片反射率低、适用频率范围小及角度稳定性差的问题，设计了一种新的太赫兹频率选择表面结构。首先进行了仿真分析，确定了结构的硅片厚度和金属网栅层数，并对参数进行了优化。然后对该结构的传输特性和角度稳定性进行了仿真，该结构在入射倾斜角0°~45°范围内具有较好的稳定性，最后加工出滤光片实物，对仿真结果的准确性进行验证。在太赫兹波垂直入射的情况下，实物测量结果与仿真结果基本吻合，在1.34~2.34 THz频率范围内，反射率和透射率分别为91.0%~98.4%和0.7%~8.0%，满足FP干涉滤光片高反射率、低透射率要求。
材料 太赫兹超材料 频率选择表面 FP干涉 金属网栅 高反射率
上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093
为了更深入地研究如何提高太赫兹超材料的品质因子，从而提高超材料传感器的检测灵敏度，对太赫兹超材料传感器结构进行了针尖化设计。以双开口方形环为例，对其双开口狭缝进行双针尖结构设计，通过理论仿真研究双侧开口针尖角度对太赫兹超材料传感器的共振频率、电流分布、共振峰半峰宽的影响。进一步根据公式计算出品质因子Q值，分析双针尖设计对双开口方形环检测灵敏度的增强效果。仿真结果表明，针尖角度为150°时，传感器的Q值可提升至未针尖化模型的5倍。所提出的针尖化设计也可适用于其他谐振器单元结构，将其引入现有的太赫兹超材料传感器设计中，将有助于进一步提高传感器检测灵敏度。
太赫兹 超材料 针尖化 传感器 terahertz metamaterial needle point sensor
江西师范大学物理与通信电子学院, 江西南昌 330224
提出一种基于二氧化钒 (VO2)超材料的吸收器, 由 3层结构组成, 从上往下分别为 2个 VO2圆、中间介质层和金属底板。仿真数据表明, 该吸收器有 2个很强的吸收峰, 分别为 4.96 THz和 5.64 THz, 相对应的吸收率为 99.1%和 98.5%。利用阻抗匹配理论和电场分布进行分析, 阐明了吸收的物理机制, 并进一步分析了结构参数对吸收率的影响。所提出的吸收器具有可调谐的特点, 能够灵活调控吸收率, 为太赫兹波的调控、滤波等功能的实现提供了良好的方案。该吸收器在图像处理、生物探测和无线通信领域都有潜在的应用。
太赫兹 超材料 二氧化钒 吸收器 THz metamaterial vanadium dioxide absorber 太赫兹科学与电子信息学报
2023, 21(12): 1410
1 西安科技大学理学院，陕西 西安 710054
2 西安科技大学安全工程与科学学院，陕西 西安 710054
连续域束缚态（BIC）已被广泛用于设计具有高品质因数（Q值）谐振的超材料中。通过在一个周期单元中设置两对高折射率裂环谐振器（SRR），设计了一种太赫兹全介质超材料。基于超晶格模式的对称性保护原理，通过改变其中两个SRR之间的距离，获得了可观测的准BIC（QBIC）模式。通过调节不对称度可以调制Q值，并且QBIC的Q值与结构的不对称度之间呈现出二次反比的关系。感应电场和磁场的空间分布以及感应电流的多极展开都表明了谐振是由电四极子的激发引起的。所提出的超材料具有较窄的谐振线宽，其灵敏度和FOM（figure of merit）分别为254.8 GHz/RIU和509.6，可以作为高灵敏度的折射率传感器。
材料 连续域束缚态 太赫兹 全介质超材料 电四极子 折射率传感 光学学报
2023, 43(23): 2316002
衢州职业技术学院 信息工程学院，衢州 324002
为了实现红外波段的双频带完美吸收，采用将不同电子掺杂浓度的单层带状黑磷在同一平面内交错排列的方法，进行了理论分析和仿真模拟，得到了此器件在红外波段的吸收光谱和传感性能。结果表明，此吸收体可以在波长2 μm~5 μm的红外波段范围内实现双频带的完美吸收（吸收率大于99.9%）,此高吸收率是由于入射光波与器件满足了临界耦合条件而形成了共振加强; 在共振波长处，光波被限制在黑磷附近; 此超材料吸收体的双频带特性在其作为传感器使用时具有独特的优势，可以提高传感器的可靠性和准确性; 吸收波峰的偏移量与覆盖在此器件上的未知物质的折射率基本呈线性关系，用此器件测得的未知物质的折射率与实际的折射率的误差在1%以内。该超材料吸收体结构简单，对制作工艺的尺寸精确度要求不高，在红外波段的多频带吸收和传感检测方面将会有广泛的应用。
光谱学 黑磷 双频带 超材料 完美吸收 传感 spectroscopy black phosphorus dual-band metamaterial perfect absorption sensing
1 北京信息科技大学 光电测试技术及仪器教育部重点实验室
2 生物医学检测技术及仪器北京实验室,北京 100192
研究了一种基于超材料结构的红外热探测器，该探测器利用光学超材料的局域场增强效应和热释电材料的温度敏感特性，实现对红外辐射的探测。利用有限元分析方法，研究了超材料吸收器的红外吸收特性和电磁场特性，分析了超材料吸收器与热释电材料（LiTaO3）耦合结构的热学性能。结果表明，设计的超材料吸收器，可在3~15 μm范围内调制峰值波长（主要覆盖大气窗口（8~14 μm）），吸收率可达99.9%，带宽范围为0.2~1.0 μm。当探测器的尺寸为23 μm×23 μm时，探测器稳态温度升高量为0.311 K，与类似工作相比，温度提升了约21倍。改进的红外热探测器具有显著的温度响应，适用于大规模像元级非致冷中远红外波段的热成像与传感应用。
红外热探测器 超材料吸收器 有限元分析 热释电材料 infrared thermal detectors metamaterial absorber finite element analysis pyroelectric materials
