【儀表網 研發快訊】近日，中國科學院上海光學精密機械研究所高功率激光元件技術與工程部吳衛平研究員團隊，與上海理工大學袁英豪副教授團隊合作，基于單層四分之一環圖案的超材料，實現了一種太赫茲波段新型雙參數傳感器的設計，相關成果以“Multi-parameter Terahertz Metamaterial Sensors based on Single-Layer Quarter Ring Patterns”為題發表于Optics & Laser Technology。
達芬奇是文藝復興時期杰出的畫家、科學家和工程師，他不僅創造了《蒙娜麗莎》，而且在他的一生中留下了大量的手稿，展示了人類對科學與藝術的結合追求。他的手稿記錄了繪畫與解剖學的研究，還涉及飛行器、建筑、軍事機械等跨時代的構想。這種多領域的探索精神與現代科學研究中跨學科融合的趨勢不謀而合。科學和藝術是一個硬幣的正反兩面，正如達芬奇在其時代構建未來的科技圖景，今天的研究人員也通過創新設計推進科學技術的邊界。在達芬奇手稿中的幾何和數學啟發下，科研人員設計了一種基于四分之一圓環的太赫茲超材料。
太赫茲波段具有獨特的光譜信息，對研究生物大分子的動態行為和高靈敏度檢測意義重大。然而，由于天然材料與太赫茲波的相互作用較弱，傳統檢測手段面臨靈敏度不足的問題。而基于超表面技術的解決方案，通過設計具有高度對稱性和功能化的結構，增強了太赫茲波與生物分子的交互效果，從而顯著提高了檢測性能。
圖1. (a)超材料周期結構的俯視圖， (b)單元結構的俯視圖，(c)周期結構的三維視圖，(d)單元結構的三維視圖。
在超材料的應用研究中，圖1所示的結構設計展示了如何通過幾何對稱性和材料特性優化光譜響應。特別是多極共振的引入，通過抑制輻射損耗實現了窄帶譜響應，通過局部電場的增強(圖2)提升了傳感器的靈敏度，還實現了對折射率和溫度敏感的雙參數太赫茲傳感功能。這種太赫茲超材料具有結構簡單、加工容易、易于小型化以及高靈敏度等優點，在傳感、工業過程控制、環境監測和生物等多個領域，具有廣泛的潛在應用。
圖2. 太赫茲諧振頻率下x-y平面的電場分布，(a)0.48THz，(b)0.64THz，(c)0.79THz，(d)1.04THz。
相關工作得到了國家重點研發計劃(2021YFB2800703, 2021YFB2800701)、國家自然科學基金(52273242)、中國科技云開放科學推進計劃和中國科學院大學“一帶一路”國際科學組織聯盟獎學金等項目的支持。
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