北航研制出提升大氣與環(huán)境監(jiān)測能力的新型太赫茲超表面

近日，北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院飛行器結(jié)構(gòu)強度系李宇航副教授、邢譽峰教授團隊與電子科技大學(xué)電子薄膜與集成器件國家重點實驗室潘泰松副教授合作，在太赫茲電磁波超材料領(lǐng)域的最新研究成果。相關(guān)研究以“Mechanical Terahertz Modulation by Skin-Like Ultrathin Stretchable Metasurface”為題發(fā)表在Small上，并被選為封面文章。該校博士研究生樊宣青為文章第一作者，李宇航副教授與潘泰松副教授為共同通訊作者。

太赫茲(THz)技術(shù)可廣泛應(yīng)用于雷達、遙感、大氣與環(huán)境監(jiān)測、實時生物信息提取以及醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域，在這些應(yīng)用中，實現(xiàn)太赫茲波的動態(tài)調(diào)制對太赫茲器件的成功工作至關(guān)重要。頻率選擇超表面作為一種調(diào)控電磁波的人工結(jié)構(gòu)，在調(diào)整太赫茲波的振幅和相位方面起著關(guān)鍵作用。類似于“閥門”調(diào)控水流，頻率選擇超表面可以允許/阻止特定頻段的太赫茲波通過?，F(xiàn)有的研究表明，可以采用不用的方法如電壓、磁場、光泵、溫度對超表面?zhèn)鬏斕匦赃M行實時調(diào)諧，但是這些方法需要復(fù)雜的設(shè)計、新型材料、特定的溫度場，使其難以用于一些無電池、輕量化的場合。

針對上述問題，李宇航團隊研發(fā)了一款超薄柔性可實現(xiàn)動態(tài)調(diào)制太赫茲波傳輸?shù)念l率選擇超表面。與傳統(tǒng)調(diào)控方法不同，柔性可拉伸電子元件利用機械應(yīng)變來動態(tài)調(diào)制太赫茲波。該超表面是基于蜿蜒結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計方法得到的Al/PI周期性網(wǎng)狀膜，無需彈性襯底，使得超表面的總厚度顯著降低，總厚度僅為7 μm。周期性Al/PI結(jié)構(gòu)使超表面具有頻率選擇特性，可以阻止特定頻率的太赫茲波通過。極低的厚度以及網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)提供了柔性和可拉伸性，超表面可以被容易地拉伸、彎曲和扭轉(zhuǎn)。通過簡單地施加機械應(yīng)變來誘導(dǎo)超表面產(chǎn)生變形，將會使太赫茲波透射率發(fā)生改變。

太赫茲時域光譜實驗結(jié)果表明, 可拉伸超表面具有帶阻頻率選擇特性，在施加28%的外部拉伸應(yīng)變時，諧振頻率的太赫茲波傳輸率可從0.15調(diào)到0.5，而頻移只有3.4%。通過相應(yīng)的電磁仿真和提出的LC等效電路模型，討論了超表面的頻率選擇調(diào)制機理。

此項研究所提出的超薄柔性太赫茲超表面，為機械調(diào)制太赫茲波提供了新的思路，展示了蛇形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在更廣闊的領(lǐng)域有著巨大的潛力，提供了一個容易實現(xiàn)的輕量化、共性接觸的太赫茲波頻率選擇動態(tài)調(diào)制方法。

該研究工作受到國家自然科學(xué)基金、航空科學(xué)基金、大連理工大學(xué)工業(yè)設(shè)備結(jié)構(gòu)分析國家重點實驗室開放基金等項目支持。