近日，上海理工大学光电信息与计算机工程学院下属太赫兹技术创新研究院朱亦鸣教授和臧小飞副教授在庄松林院士的指导下，利用等效电路制备实现超宽带定向天线的研究中取得新进展。该研究工作的题目为“Broadband unidirectional behavior of electromagnetic waves based on transformation optics”，发表于Scientific Reports上 (Sci. Rep. 7, 40941 (2017)).
图1(a) 层状化定向天线结构； (b)天线增益；(c1-c8)天线定向发射场分布的数值仿真(c1-c4)和测试(c5-c8)。
该工作采用变换光学方法构建电磁波定向发射所需的变换介质：即构建平直均匀的空间和电磁波波前单向传播扭曲空间的一一对应关系，并根据麦克斯韦方程在两个空间上的变换不变性，获得电磁波定向发射变换介质。利用等效电路理论设计和加工层状化的变换介质(如图(a)所示，区域I, II, III中的电容和电感值将随着位置的变化而变化)。通过控制电磁波的波前，实现了宽带的电磁波定向发射(15MHz～75MHz)(如图C1-C8所示)。如图(b)所示，器件在45MHz时，其天线增益为14.5dB，等效于龙伯透镜的增益。但该器件设计参数相对简单，便于实现。
众所周知，太赫兹波的位置处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区；其频率在0.1～10THz(THz=1012Hz)之间，由于太赫兹波有高效的背景发射噪声抑制功能，很好的时间和空间相干性，超低的光子能量（4meV）以及超强的穿透能力，使得太赫兹科学技术生物医药检测、安检、光谱测量、空间通讯、成像等领域具有重要的应用。目前，太赫兹科学正成为光学和电子学领域的一个研究热点，而制约太赫兹应用的主要瓶颈包括源、探测器、滤波器、调制器等。其中，太赫兹定向天线在太赫兹成像、探测、传感、通讯、太赫兹波调制等方面均有重要应用。该工作对于设计结构简单高增益的太赫兹定向天线具有一定的借鉴意义。
该工作得到了国家重大仪器专项，国家自然科学基金，上海市科委基金的资助。
供稿：太赫兹技术创新研究院