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。

设计了一款基于石墨烯和二氧化钒图案的双重可调谐宽频带超材料吸收器, 当二氧化钒的电导率和石墨烯的化学势分别为200 000 S/m和0.5 eV时, 吸收率超过90%的带宽达到4.2 THz。研究结果表明, 保持二氧化钒电导率不变, 吸收频带的位置和平坦性可以通过改变石墨烯的化学势在一定范围内进行调节; 如果固定石墨烯的化学势, 则宽吸收频带的吸收率的强弱可以通过改变二氧化钒的电导率进行大幅度调节, 最大调制深度约为75%。同时, 所设计的超材料吸收器还具有极化不敏感以及宽入射角的特性。基于二氧化钒电导率和石墨烯化学势的双重可调控特性, 使得所设计的超材料吸收器在宽带THz吸收、开关和调制等领域具有潜在的应用价值。

提出了一种基于石墨烯和二氧化钒（VO₂）混合材料的双控太赫兹超材料宽带吸收器，该吸收器具有结构简单、吸收/透射/反射状态可切换、调谐深度大等优点。吸收器的吸收率的调控可以通过改变VO₂的相变特性及石墨烯的费米能级来实现。当VO₂处于金属态时，该吸收器在1.07~2.59 THz频率范围内可实现吸收率大于90%的宽带吸收，且具有偏置无关和宽入射角不敏感特性，通过改变石墨烯的费米能级，可对带内吸收率进行动态调控，可调范围大于67.2%。当VO₂处于绝缘状态，该器件表现为由石墨烯费米能级调控的可调透射器，透射率可调范围大于40%。进一步地，同时控制VO₂相变特性和石墨烯费米能级，可将吸收器的带内吸收率的可调范围提升至90%以上，最大可调范围为99.7%@2.3 THz，实现了吸收率的完美开关特性。该吸收器通过两个独立可控的超材料实现了具有高调谐特性的太赫兹双控吸收器，在太赫兹智能器件（如衰减器、反射器和空间调制器等）领域具有潜在的应用价值。

为了降低检测溶液样本时水对太赫兹的强烈吸收并提高传感器的灵敏度,提出了两种超材料吸收器集成微流控的双带太赫兹传感器。两种传感器的单元谐振结构均由金属环和双“I”型交叉结构组成,在0.2~1.4 THz频段内可产生两个完美吸收峰,折射率灵敏度可达300 GHz/RIU。实验结果表明,设计的两种双带太赫兹传感器具有偏振不敏感性和宽入射角不敏感性,在-4%~4%的制造公差范围内能保持良好的传感性能,在生物医学领域具有潜在的应用价值。

为了实现长波红外光谱的高吸收,结合阻抗匹配理论和时域有限差分方法设计了一种长波红外超宽带完美吸收器。首先,分析了金属-介质-金属结构的超材料吸收器,该吸收器在7~14 μm波段内的平均吸收率大于91%。然后,在金属-介质-金属结构的基础上提出了一种嵌入式结构的超宽带完美吸收器,该吸收器在7~14 μm波段具有近乎完美的吸收特性,平均吸收率可达到97.55%,且具有偏振不敏感特性;在入射角度为50°时的平均吸收率仍大于90%(横磁模式下为90.5%、横电模式下为93.7%)。研究结果表明,表面等离子体和法布里-珀罗谐振腔等多种模式的共同作用是获得宽波段完美吸收的主要因素。设计的吸收器在红外光谱内实现了优异吸收,在能量收集、红外传感器等领域具有潜在的应用价值。

针对目前吸收器存在的吸收光谱过窄的技术问题, 提出了一种由金属与非金属组成的具有金属-绝缘体-金属(MIM)结构的超材料吸收器模型, 并模拟分析其辐射特性, 计算总体吸收性能。针对给定的波长范围, 通过对超材料吸收器的结构参数的改变, 对比分析了周期、宽度、金属层厚度和介电层厚度对吸收器辐射特性的影响。结果表明, 介电层厚度对吸收率的影响最为明显。研究了不同结构参数微结构的堆叠对多层超材料吸收器吸收峰的影响, 结果显示可以通过叠加获得更高的吸收峰值, 提升吸收器的总体吸收效率, 在可见光到红外光间形成一个宽谱吸收。

为了满足红外探测器件集成化和对红外宽光谱范围吸收的需求, 设计了一种工作在长波红外波段(8~14 μm)的超宽带、高吸收、极化不敏感的超材料吸收器。通过在金属-介质-金属三层异质的超材料吸收器结构的顶部金属周围镶嵌一层介质形成超表面, 以增加谐振强度和吸收带宽。在8~13.6 μm的带宽范围内, 该结构有超过90%的平均吸收率, 覆盖了大部分长波红外大气窗口波段, 对红外探测领域有着重要意义。研究结果表明: 镶嵌的金属-介质组成的介质波导模式和谐振腔模式的结合以及传播型表面等离激元模式的激发是形成宽带高吸收的主要原因, 并且谐振模式的谐振波长可以通过相关参数来进行调控。本文的研究结果为可调谐宽带长波红外吸收材料的设计提供参考, 该设计方法可推广到中波红外波段、甚至长波红外或其它波段。

基于不同形状和大小的谐振环对电磁场具有不同的响应原理,设计了对4个频带具有电磁响应的、由圆形谐振环结构组成的太赫兹吸收器。采用时域有限差分法(FDTD)研究了该吸收器的特性,通过改变顶层金属环形图案几何尺寸、中间层电介质厚度以及顶层金属圆环处的硅电导变化率,对太赫兹多频带吸收器进行设计与仿真。在耦合后的多频吸收器的吸收峰中,低频部分被完美吸收,高频部分吸收率由70%增至94%。同时,随着电导率变化,低频分别从0.775 THz和1.064 THz移动到0.697 THz和1.017 THz,分别移动了78 GHz和47 GHz,实现了连续频率调谐。

提出了一种基于双开口方形薄片的太赫兹超材料吸收器。该吸收器结构单元是由典型的三层结构组成，上下两层为金属层、中间为介质层、顶层金属层由四个大小相同的双开口方形薄片排列而成。研究结果表明，吸收器分别在1.298 THz和1.662 THz处实现了99%以上的吸收率。之后，通过改变方形薄片的大小及开口尺寸，对方形薄片重新排列，在1.348～1.568 THz频段处实现了吸收率80%以上，带宽为0.22 THz的宽带吸收。该吸收器结构简单，具有偏振不相关性，且能实现大角度吸收，在太赫兹波成像、探测及电磁隐身等方面有极大的潜在应用价值。