客观日本

利用超高折射率且无反射的新材料,制作太赫兹超表面透镜调控电磁波

2020年07月22日 电子电气

东京农工大学研究生院工学研究院先端电气电子部门的铃木健仁副教授,与该校电气电子工程专业的远藤孝太(硕士2年级)和近藤谕(2018年3月硕士毕业),确定了利用具有超高折射率且无反射的新材料制作太赫兹超表面透镜(Terahertz Metalens)的设计指南。

利用研究团队自主开发的人造材料(超表面材料)专利(专利号:6596748),可以改变和调控电磁波。平而薄的超表面材料可以集成到太赫兹波段光源中,因此有望应用于6G(Beyond 5G)以后的未来通信。另外,通过将该设计指南应用于数十太赫兹以上的红外区域,还有望用于热管理,比如将轧制钢坯等散发的热辐射集中到特定方向等。

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图1:利用超高折射率无反射人工结构材料超表面材料的太赫兹超表面透镜

研究背景

目前,利用比毫米波频率高、比可见光频率低的太赫兹波段电磁波的6G(Beyond 5G)通信,以及对高温热源散发的热辐射(红外区域的电磁波)进行再利用的热管理都备受期待。这些太赫兹波段和红外区域的电磁波通常使用有一定厚度的圆顶状透镜来调控。不过,为了向太赫兹波段光源集成以及控制轧制钢坯等散发的热辐射,需要使用平面的薄型透镜,以实现光源的集成和后期向现有结构物及空间导入。

研究成果

此次的研究成果是在1太赫兹(THz=1012Hz)以上的电磁波区域,制定了采用超高折射率、无反射人工超表面材料的太赫兹超表面透镜(图1)的设计指南。这种超表面透镜由比波长还小的结构——超原子(meta-atom)构成,超原子由在介电体基板正反两面对称配置的切割金属线形成,不仅是材料的介电性,磁性也可以人工控制。另外,频率升高后,需要同时考虑金属导电率的实部和虚部,因此切割金属线的导电率采用德鲁德模型的值。这种利用人工复合材料制作的超表面透镜还具有厚度非常薄的优点。例如,预计设计厚度约为2微米(微米=1000分之1毫米)的超表面透镜在3THz下能实现功率密度为4.6倍的高指向性(图2)。

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图2:(a)yz面和(b)xz面有太赫兹超表面透镜及没有太赫兹超表面透镜时的指向性增益

未来展望

如果将利用超高折射率无反射超表面材料制作的超表面透镜集成到太赫兹波段的光源中,就可以为6G(Beyond 5G)以后的无线通信波束成形技术做出贡献。另外,通过将该设计指南应用于数十THz以上的红外区域,还有望用于热管理,比如将轧制钢坯等散发的热辐射集中到特定方向等。

论文信息
题目:Terahertz metasurface ultra-thin collimator for power enhancement
期刊:Optics Express
URL:osapublishing.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-28-15-22165&id=433418

日语发布原文

文:JST客观日本编辑部

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