超表面编码结构是一种能对电磁波按照研究人员预先要求进行操控的新型人工介质，它为调控电磁波提供了一种新机制。《太赫兹超表面编码》主要研究将超表面编码结构引入太赫兹波段，通过设计不同几何形状、不同编码排布的超表面阵列结构实现对太赫兹波单波束、多波束、异常折射、随机漫反射、波束控制、降低雷达散射截面等功能。在此基础上，将可调谐材料(石墨烯、二氧化钒、液晶等)复合到超表面编码结构中，通过改变外部激励条件，实现对太赫兹波主动调控功能。《太赫兹超表面编码》共6章，内容主要包括：太赫兹波技术及超表面编码；太赫兹频率超表面编码；Pancharatnam-Berry 相位太赫兹超表面编码；结构可变形太赫兹超表面编码；可调谐太赫兹超表面编码；全介质超表面编码。

光学

目录
前言
第1章　太赫兹波技术及超表面编码　1
1.1　太赫兹技术　1
1.2　太赫兹调控　4
1.3　超表面简介　12
1.4　超表面编码　15
参考文献　37
第2章　太赫兹频率超表面编码　44
2.1　太赫兹频率超表面编码机理　44
2.2　T形结构太赫兹频率超表面编码　45
2.2.1　T形结构太赫兹频率超表面编码单元　45
2.2.2　1bit太赫兹T形结构频率超表面编码　47
2.2.3　2bit太赫兹T形结构频率超表面编码　52
2.2.4　非周期太赫兹频率超表面编码　56
2.3　人字形结构太赫兹频率超表面编码　59
2.3.1　人字形结构太赫兹频率超表面编码单元　59
2.3.2　1bit太赫兹人字形结构频率超表面编码　62
2.3.3　2bit太赫兹人字形结构频率超表面编码　66
2.3.4　非周期太赫兹频率超表面编码　71
2.4　米形太赫兹频率超表面编码　74
2.4.1　米形太赫兹频率超表面编码单元　74
2.4.2　1bit太赫兹米形结构频率超表面编码　77
2.4.3　2bit太赫兹米形结构频率超表面编码　80
2.4.4　3bit太赫兹米形结构频率超表面编码　82
2.5　回形太赫兹频率超表面编码　85
2.5.1　回形太赫兹频率超表面编码单元　85
2.5.2　1bit太赫兹回形结构频率超表面编码　88
2.5.3　2bit太赫兹回形结构频率超表面编码　91
2.5.4　3bit太赫兹回形结构频率超表面编码　94
2.6　雪花结构太赫兹频率超表面编码　97
2.6.1　雪花结构太赫兹频率超表面编码单元　97
2.6.2　1bit太赫兹雪花结构频率超表面编码　99
2.6.3　2blt太赫兹雪花结构频率超表面编码　102
2.6.4　3blt太赫兹雪花结构频率超表面编码　105
2.7　X形结构太赫兹频率超表面编码　108
2.7.1　X形结构太赫兹频率超表面编码单元　108
2.7.2　1blt太赫兹X形结构频率超表面编码　111
2.7.3　2blt太赫兹X形结构频率超表面编码　114
2.8　圆环结构太赫兹频率超表面编码　120
2.8.1　圆环结构太赫兹频率超表面编码单元　120
2.8.2　1blt太赫兹圆环结构频率超表面编码　123
2.8.3　2blt太赫兹圆环结构频率超表面编码　126
2.8.4　3blt太赫兹圆环结构频率超表面编码　129
参考文献　132
第3章　Pancharatnam-Berry相位太赫兹超表面编码　134
3.1　Pancharatnam-Berry相位太赫兹编码机理　134
3.2　方格形结构太赫兹超表面编码　135
3.2.1　方格形结构超表面编码单元　135
3.2.2　1blt太赫兹方格形结构超表面编码　138
3.2.3　2blt太赫兹方格形结构超表面编码　140
3.2.4　3blt太赫兹方格形结构超表面编码　141
3.3　半圆形结构太赫兹超表面编码　145
3.3.1　半圆形结构超表面编码单元　145
3.3.2　1blt太赫兹半圆形结构超表面编码　149
3.3.3　2blt太赫兹半圆形结构超表面编码　150
3.3.4　3blt太赫兹半圆形结构超表面编码　151
3.4　S形结构太赫兹超表面编码　156
3.4.1　S形结构超表面编码单元　157
3.4.2　1blt太赫兹S形结构超表面编码　159
3.4.3　2blt太赫兹S形结构超表面编码　161
3.4.4　3blt太赫兹S形结构超表面编码　163
3.4.5　太赫兹随机S形结构超表面编码　165
3.5　M形结构太赫兹超表面编码　167
3.5.1　M形结构超表面编码单元　168
3.5.2　1bit太赫兹M形结构超表面编码　170
3.5.3　2bit太赫兹M形结构超表面编码　171
3.5.4　3bit太赫兹M形结构超表面编码　172
3.5.5　太赫兹随机M形结构超表面编码　174
3.6　十字架结构太赫兹超表面编码　176
3.6.1　十字架结构太赫兹超表面编码单元　176
3.6.2　仿真分析　180
3.7　H形结构太赫兹超表面编码　183
3.7.1　H形结构超表面编码单元　183
3.7.2　1bit太赫兹H形结构超表面编码　185
3.7.3　2bit太赫兹H形结构超表面编码　186
3.7.4　3bit太赫兹H形结构超表面编码　187
3.8　伞形结构太赫兹超表面编码　188
3.8.1　伞形结构超表面编码单元　188
3.8.2　1bit太赫兹伞形结构超表面编码　190
3.8.3　2bit太赫兹伞形结构超表面编码　191
3.8.4　3bit太赫兹伞形结构超表面编码　192
3.9　F形结构太赫兹超表面编码　194
3.9.1　F形结构超表面编码单元　194
3.9.2　1bit太赫兹F形结构超表面编码　196
3.9.3　2bit太赫兹F形结构超表面编码　197
3.9.4　3bit太赫兹F形结构超表面编码　198
3.10　日形结构太赫兹超表面编码　199
3.10.1　日形结构超表面编码单元　199
3.10.2　1bit太赫兹日形结构超表面编码　201
3.10.3　2bit太赫兹日形结构超表面编码　202
3.10.4　3bit太赫兹日形结构超表面编码　203
参考文献　204
第4章　结构可变形太赫兹超表面编码　207
4.1　结构可变形太赫兹超表面编码机理　207
4.2　方格形结构太赫兹超表面编码　209
4.2.1　方格形结构可调谐超表面编码单元　209
4.2.2　仿真分析　212　
4.3　缺口轮结构太赫兹超表面编码　216
4.3.1　缺口轮结构超表面编码单元　216
4.3.2　仿真分析　218
4.4　开口框形结构太赫兹超表面编码　223
4.4.1　开口框形结构超表面编码单元　223
4.4.2　仿真分析　226
4.5　E形结构可调谐超表面编码　229
4.5.1　E形结构超表面编码的理论分析　229
4.5.2　E形结构超表面编码单元的设计　229
4.5.3　周期超表面编码　232
4.5.4　随机超表面编码　234
4.6　双缺口矩形结构太赫兹超表面编码　238
4.6.1　双缺口矩形结构太赫兹超表面编码设计　238
4.6.2　仿真分析　239
4.6.3　1bit太赫兹超表面编码　242
4.7　对称L形结构太赫兹超表面编码　248
4.7.1　对称L形结构超表面编码单元　248
4.7.2　1bit太赫兹超表面编码　251
4.7.3　2bit太赫兹超表面编码　253
4.7.4　3bit太赫兹超表面编码　256
4.8　凹形结构太赫兹超表面编码　259
4.8.1　凹形结构超表面编码单元　259
4.8.2　1bit太赫兹超表面编码　262
4.8.3　2bit太赫兹超表面编码　264
4.8.4　3bit太赫兹超表面编码　267
4.9　骨头形结构太赫兹超表面编码　270
4.9.1　骨头形结构可调谐超表面编码单元　270
4.9.2　仿真分析　273
参考文献　277
第5章　可调谐太赫兹超表面编码　280
5.1　石墨烯嵌入可调谐超表面编码　280
5.1.1　石墨烯调控特性　280
5.1.2　石墨烯嵌入可调谐超表面编码结构　281
5.1.3　石墨烯嵌入可调谐超表面编码性能分析　282
5.2　液晶基体可调谐超表面编码　289
5.2.1　液晶调控机理　289
5.2.2　十字架-圆环液晶复合结构可调谐超表面编码　290
5.2.3　十字架-圆环液晶复合结构可调谐超表面编码性能分析　291
5.2.4　米形金属结构液晶可调谐超表面编码结构　294
5.2.5　米形金属结构液晶可调谐超表面编码性能分析　295
5.2.6　中空十字形液晶复合结构可调谐超表面编码　296
5.2.7　中空十字形液晶复合结构可调谐超表面编码性能分析　298
5.2.8　十字形液晶复合结构超表面编码　299
5.2.9　十字形液晶复合结构超表面编码性能分析　301
参考文献　304
第6章　全介质超表面编码　306
6.1　反射型全介质超表面编码　306
6.1.1　反射型全介质超表面编码结构　306
6.1.2　仿真分析　308
6.2　透射型全介质超表面编码　313
6.2.1　透射型全介质超表面编码结构　313
6.2.2　仿真分析　314
6.3　多功能全介质超表面编码　319
6.3.1　多功能全介质超表面编码结构　319
6.3.2　仿真分析　321
6.4　椭圆形全介质超表面编码　327
6.5　各向异性超表面编码　331
6.5.1　各向异性超表面编码单元结构设计　331
6.5.2　仿真分析　333
6.6　米形结构全介质超表面编码　340
6.6.1　米形结构全介质超表面编码单元结构设计　340
6.6.2　米形超表面编码结构设计　341
6.7　星形全介质超表面编码　348
6.7.1　透射型全介质超表面编码结构　348
6.7.2　完美的异常折射　349
6.7.3　多波束产生　350
6.7.4　涡旋光束的产生　351
参考文献　352

第1章太赫兹波技术及超表面编码
　　1.1太赫兹技术
　　太赫兹波是指频率为0.1～10THZ的电磁辐射，波长为30μm～3mm。太赫兹波在电磁波谱范围内位于微波与红外辐射中间（图1-1)，这使得太赫兹波既具有微波的特性又具有光波的特性。研究初期太赫兹源与灵敏探测器等技术的缺乏导致太赫兹频段被称为电磁频谱上的太赫兹空隙。
　　由于太赫兹波在电磁谱中所处的特殊位置，它具有不同于其他频段电磁波的独*性质。①瞬态性：太赫兹波脉冲宽度一般集中在皮秒量级，可以对各种材料进行时间分辨光谱研究，利用取样测量技术，可以有效地抑制辐射噪声对结果的影响。②宽带性：太赫兹脉冲通常只包含几个周期的电磁谐振，单个脉冲的频带可以从吉赫兹覆盖到几十个太赫兹。③相干性：太赫兹波脉冲具有极高的时间和空间相干性，太赫兹相干性源于其产生机制，由相干电流驱动的偶极子振荡产生或由相干激光脉冲通过非线性光学效应产生。④低能性：太赫兹光子的能量只有毫电子伏特，与X射线相比，不会因为电离而破坏被检测的物质。⑤高穿透性：对于很多非线性物质，如介电材料及塑料、纸箱、布料等材料，太赫兹辐射可以用于对包装好的物品进行质检及安全检查。⑥指纹光谱特性：太赫兹波段涵盖了很多物理和化学信息，大多数极性分子与生物大分子的振动频率和转动能级恰好处在太赫兹频段内，所以指纹太赫兹超表面编码谱特性能够分辨出被检测物质的成分。⑦高光谱分辨能力：太赫兹波长比较短，理论上会具有更高的分辨率。太赫兹技术可广泛地应用于各个领域，如在高速无线通信领域，满足高带宽、高容量和高速度的需要，太赫兹应用场景如图1-2所示[2]。
　　图1-2太赫兹应用场景
　　在违禁药品检测方面：Kawase等[3]于2003年提出基于光谱指纹的非法药物太赫兹无损成像方法，在不拆信封的情况下，通过提取信封内可疑物指纹谱的方法来识别信封内的违禁药品。釆取被动式及主动式太赫兹成像和太赫兹时域光谱技术，区别、分辨药品的种类，如图1-3所示。
　　在安全检测方面：太赫兹波穿透力比较强，可以利用太赫兹成像技术检测出人体携带的危险物品。由于违禁品对人体辐射的太赫兹波有吸收或反射作用，通过对人体太赫兹图像中的信号强度进行对比，可以识别违禁品。图1-4为博微太赫兹信息科技有限公司研发的TeraSnap太赫兹人体安检成像系统。
　　另外由于水、盐、蛋白质和脱氧核糖核酸(deoxyribo　nucleic　acid，DNA)对太赫兹波具有强吸收作用，蛋白质结构配体结合或变形可以引起太赫兹波吸收强度的变化，因此太赫兹技术可以检测出病变组织和正常组织的含水量，图1-5为癌变组织与正常组织的太赫兹反射信号[4]。利用太赫兹技术可以实现活体检测，推动了太赫兹技术在医疗领域的发展。
　　图1-3太赫兹药品检测
　　图1-4TeraSnap太赫兹人体安检成像系统
　　图1-5太赫兹对癌变细胞的检测
　　图1-6三七皂苷成分太赫兹吸收谱曲线
　　*近，上海理工大学庄松林院士团队利用太赫兹光谱技术对人参皂苷进行检测，能够快速、精准地检测三七中的有效成分和有效成分含量，如图1-6所示。太赫兹技术引起国内外研究者的广泛关注，除了在上述无线通信、无损检测、安检成像、生物医学等领域的应用[5-12]，在其他领域也将会有很好的应用前景，如雷达、气象、军事等。
　　1.2太赫兹调控
　　随着太赫兹技术的飞快发展，太赫兹技术的应用需求与日俱增，如何调控太赫兹
波成为研究重点，开发相关太赫兹功能器件变得越来越重要。当前，各种各样的太赫兹器件相继被提出，如太赫兹开关[13-15]、太赫兹滤波器[16，17]、太赫兹调制器[18-21]和完美吸收器[22-26]等。南京大学Chen等[27]研制出一种基于双层石墨烯的薄片，实现了对太赫兹波的开关功能，如图1-7所示。Li[28]设计了一种釆用Kretschmann棱镜结构的太赫兹开关，该开关由高折射率棱镜液晶周期性开槽金属光栅构成，通过改变液晶的折射率，利用激发表面等离子体激元来控制太赫兹波的开和关，如图1-8所示。Li等[29]设计出基于两个级联光子晶体波导定向耦合器的可调谐多通道太赫兹滤波器，通过调节外加
磁场的激励，实现不同频率太赫兹波在不同通道中的传输，如图1-9所示。
　　浙江大学Rao等设计了一种基于双层金属孔阵列的太赫兹宽带滤波器，实现了中心频率为0.8THz半高宽达到0.4THz的滤波器，如图1-10所示。2016年，Liu和Yang[31]又利用表面等离子体效应，设计了一种具有三个输出端口宽带太赫兹波分束器，如图1-11所示。Niu等[32]设计了一种太赫兹反射阵列偏振相关分束器，如图1-12所示，改变偶极子的长度和宽度，可以有效地将垂直入射的太赫兹波向不同方向分离。Liu等[33]设计了周期性亚波长孔阵列InSb平板的温度可调谐太赫兹滤波器，如图1-13所示。Liu等[34]基于具有阻带抑制效果好、谐振腔少的TE301/TE102双模矩形波导谐振腔设计一种中心频率大于1THz的波导带通滤波器，如图1-14所示。