上海光機(jī)所在太赫茲超材料傳感器方面取得新進(jìn)展

近日，中科院上海光機(jī)所高功率激光元件技術(shù)與工程部吳衛(wèi)平研究員團(tuán)隊(duì)，與上海理工大學(xué)袁英豪副教授團(tuán)隊(duì)合作，基于單層四分之一環(huán)圖案的超材料，實(shí)現(xiàn)了一種太赫茲波段新型雙參數(shù)傳感器的設(shè)計(jì)，相關(guān)成果以“Multi-parameter Terahertz Metamaterial Sensors based on Single-Layer Quarter Ring Patterns”為題發(fā)表于Optics & Laser Technology。

達(dá)芬奇是文藝復(fù)興時(shí)期杰出的畫(huà)家、科學(xué)家和工程師，他不僅創(chuàng)造了《蒙娜麗莎》，而且在他的一生中留下了大量的手稿，展示了人類(lèi)對(duì)科學(xué)與藝術(shù)的結(jié)合追求。他的手稿記錄了繪畫(huà)與解剖學(xué)的研究，還涉及飛行器、建筑、軍事機(jī)械等跨時(shí)代的構(gòu)想。這種多領(lǐng)域的探索精神與現(xiàn)代科學(xué)研究中跨學(xué)科融合的趨勢(shì)不謀而合。科學(xué)和藝術(shù)是一個(gè)硬幣的正反兩面，正如達(dá)芬奇在其時(shí)代構(gòu)建未來(lái)的科技圖景，今天的研究人員也通過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)推進(jìn)科學(xué)技術(shù)的邊界。在達(dá)芬奇手稿中的幾何和數(shù)學(xué)啟發(fā)下，科研人員設(shè)計(jì)了一種基于四分之一圓環(huán)的太赫茲超材料。

太赫茲波段具有獨(dú)特的光譜信息，對(duì)研究生物大分子的動(dòng)態(tài)行為和高靈敏度檢測(cè)意義重大。然而，由于天然材料與太赫茲波的相互作用較弱，傳統(tǒng)檢測(cè)手段面臨靈敏度不足的問(wèn)題。而基于超表面技術(shù)的解決方案，通過(guò)設(shè)計(jì)具有高度對(duì)稱(chēng)性和功能化的結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了太赫茲波與生物分子的交互效果，從而顯著提高了檢測(cè)性能。

圖片:搜狗截圖20241226212251.png

圖1. (a)超材料周期結(jié)構(gòu)的俯視圖， (b)單元結(jié)構(gòu)的俯視圖，(c)周期結(jié)構(gòu)的三維視圖，(d)單元結(jié)構(gòu)的三維視圖。

在超材料的應(yīng)用研究中，圖1所示的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)展示了如何通過(guò)幾何對(duì)稱(chēng)性和材料特性優(yōu)化光譜響應(yīng)。特別是多極共振的引入，通過(guò)抑制輻射損耗實(shí)現(xiàn)了窄帶譜響應(yīng)，通過(guò)局部電場(chǎng)的增強(qiáng)（圖2）提升了傳感器的靈敏度，還實(shí)現(xiàn)了對(duì)折射率和溫度敏感的雙參數(shù)太赫茲傳感功能。這種太赫茲超材料具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工容易、易于小型化以及高靈敏度等優(yōu)點(diǎn)，在傳感、工業(yè)過(guò)程控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)和生物等多個(gè)領(lǐng)域，具有廣泛的潛在應(yīng)用。

圖片:W020241226394204763503_ORIGIN.png

圖2. 太赫茲諧振頻率下x-y平面的電場(chǎng)分布，(a)0.48THz，(b)0.64THz，(c)0.79THz，(d)1.04THz。

相關(guān)工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021YFB2800703, 2021YFB2800701）、國(guó)家自然科學(xué)基金（52273242）、中國(guó)科技云開(kāi)放科學(xué)推進(jìn)計(jì)劃和中國(guó)科學(xué)院大學(xué)“一帶一路”國(guó)際科學(xué)組織聯(lián)盟獎(jiǎng)學(xué)金等項(xiàng)目的支持。

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