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期刊信息/Journal information
中国科学（物理学 力学 天文学）
中国科学（物理学 力学 天文学）

王鼎盛 张杰

月刊

1674-7275

Physics@scichina.org

010-64015835

100717

北京东黄城根北街16号

中国科学（物理学 力学 天文学）/Journal SCIENTIA SINICA Physica,Mechanica & AstronomicaCSCD北大核心CSTPCD
查看更多>>《中国科学》是中国科学院主办、中国科学杂志社出版的自然科学专业性学术刊物。《中国科学》任务是反映中国自然科学各学科中的最新科研成果，以促进国内外的学术交流。《中国科学》以论文形式报道中国基础研究和应用研究方面具有创造性的、高水平的和有重要意义的科研成果。在国际学术界，《中国科学》作为代表中国最高水平的学术刊物也受到高度重视。国际上最具有权威的检索刊物SCI，多年来一直收录《中国科学》的论文。1999年《中国科学》夺得国家期刊奖的第一名。
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    太赫兹物理与应用专题·编者按

    曹俊诚
    1-2页
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    太赫兹单光子雷达探测技术

    罗成高刘康王宏强邓彬...
    3-19页
    查看更多>>摘要：太赫兹单光子雷达信号检测门限为单光子尺度,具有极低的噪声水平和极高的探测灵敏度,有望显著提升现有太赫兹雷达系统的作用距离.本文首先介绍了太赫兹单光子雷达探测技术提出的背景,系统阐述了其原理、特点以及现状,然后提出了直接探测与外差探测两种典型的系统实现方式,并给出了一种雷达系统设计思路,最后分析了当前太赫兹单光子雷达探测技术面临的关键问题,讨论了其在雷达增程、远程防空预警、反隐身等领域的潜在应用.研究成果有望为突破太赫兹雷达在探测能力与作用距离等方面的技术瓶颈提供一条可行的技术途径,并进一步推动太赫兹探测机理、方法、体制和器件的创新发展,最终为太赫兹技术在军事和民用领域的发展应用提供强大动力.

    太赫兹单光子雷达光子计数

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    太赫兹单光子探测器

    石粒力吴敬波涂学凑金飚兵...
    20-36页
    查看更多>>摘要：太赫兹波探测技术在天文、国防、安检以及生物等领域发挥着越来越重要的作用.随着技术的发展,太赫兹探测器的灵敏度在不断提高,目前已经发展到单光子探测水平.在太赫兹频段,由于光子能量低,传输损耗较大,太赫兹单光子探测器的研制开发面临极大的技术挑战.本文首先介绍了太赫兹单光子探测器的基本原理、主要指标和测试系统并提出了实现太赫兹单光子探测的基本要求.然后,介绍了几种常见的太赫兹单光子探测器,包括半导体量子点探测器、量子阱探测器以及超导量子电容探测器,并对这些器件的发展历史、工作原理和性能指标进行了概述.半导体量子点探测器以及量子阱探测器可以实现10-21 W/Hz1/2量级的噪声等效功率,并且具有很大的电流响应以及动态范围,但是其量子效率较低.超导量子电容探测器目前已实现1.5 THz的单光子探测,其噪声等效功率优于10-20 W/Hz1/2并且探测效率可达90％.此外,纳米测热辐射计等太赫兹探测器也展现了太赫兹单光子探测的前景,本文对其工作原理和发展现状进行了介绍.结合目前国际上的重大研究项目以及报道的应用实例分析了太赫兹单光子探测器在太赫兹成像、天文观测、量子信息等领域的应用前景,阐述了太赫兹单光子探测器在这些应用中的优势.最后,对太赫兹单光子探测器的性能指标进行了总结并对未来的发展趋势进行了展望.

    太赫兹单光子探测器量子点电荷敏感型红外光电晶体管量子电容

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    表面等离子体狭缝波导上的石墨烯光电探测器

    王逸伦黄鑫宇周德严其志...
    37-48页
    查看更多>>摘要：基于表面等离子体的硅基集成光电探测器因具有THz带宽潜力而受到广泛关注.本文基于简化的两步光刻工艺实现表面等离子体狭缝波导与石墨烯相结合的光电导探测器,直接采用对称的狭缝波导金属作为微波电极,理论计算3-dB带宽大于120 GHz,受限于测试设备,实际测试的带宽大于70 GHz,实验上实现了72 Gbit/s NRZ和64 Gbit/s PAM-4等高速信号的接收,误码率均低于15％的软判决前向纠错码门限.由于表面等离子体增强了光和石墨烯的相互作用,在吸收区长度不大于7μm和偏置电压0.4 V的条件下,探测器的响应度大于0.13 A/W.该探测器解决了目前表面等离子体探测器普遍存在工艺复杂、高速性能受限于吸收材料载流子动态特性的问题,具备超小尺寸、高速大带宽、工艺简单和与CMOS工艺兼容的特点,有望在高速光互连、太赫兹发射以及太赫兹通信中得到应用.

    光电探测器表面等离子体光子学石墨烯光电导效应

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    基于几何相位的亚太赫兹波宽带平面透镜

    程洁嵘董希谱王娇范飞...
    49-55页
    查看更多>>摘要：几何相位,又被称为Pancharatnam-Berry相位,因设计简单、相位延迟可覆盖2π范围且与频率无关等优势在光学超表面中被广泛用于波前操控.几何相位超表面的效率和带宽往往受限于其结构单元实现正交偏振变换的能力.当工作频率偏离设计频率时,结构单元往往不能完全改变入射圆偏振光的手性,导致仅被改变手性的部分光波波前被调控,而其余光波未被调控.为此,本工作提出了一种几何相位超表面透镜,得益于其结构单元的高效率、宽频带的正交偏振变换能力,该透镜可实现亚太赫兹波束的宽带聚焦.其结构单元为一维低折射率介质光栅,可在130-165 GHz的范围内实现正交偏振变换.通过旋转、截断和拼接此光栅构成二维平面透镜,数值仿真表明该透镜在60-160 GHz的宽带范围内,均保持在40％以上的聚焦效率.超表面透镜的带宽远大于其结构单元的偏振变换带宽,这是由光栅不同的截断长度导致的.这款透镜可以采用3D打印进行加工,制作方便,成本低廉,对发展紧凑型亚太赫兹波束操控元件具有重要意义.

    几何相位太赫兹光栅透镜宽带

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    二氧化钒太赫兹辐照温度自限制效应研究

    崔俊怡赵敏徐晓峰王春瑞...
    56-63页
    查看更多>>摘要：温度自限制效应能够使物体在辐照光强变化的条件下,仍能保持稳定的温度.本文提出一种能够在太赫兹辐照下保持温度自限制效应的微粒设计.这一设想利用二氧化钒(VO2)在相变温度附近能够发生剧烈的光学性质变化,从而使微粒的温度产生自适应调节,最终在较宽的太赫兹辐照光强范围内,使粒子温度维持在相交温度附近.为了验证这一设计,我们利用米氏理论对VO2微粒的光热效应进行了理论分析.计算结果表明,改变粒子尺寸可以有效地调节VO2的太赫兹吸收特性.在合适的粒子尺寸下,相变后VO2粒子对太赫兹的吸收可以迅速降低,有助于粒子温度在很宽的辐照强度范围内维持在相变温度附近,不随辐照强度的增加而显著上升.这些结果为实现具有太赫兹辐照温度自限制效应的器件和应用提供了可能.

    太赫兹二氧化钒光热效应温度自限制效应

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    二维太赫兹拓扑光子晶体的远场探测

    马家军欧阳春梅陈勰宇许全...
    64-70页
    查看更多>>摘要：随着量子霍尔效应(QHE)在凝聚态物理中的深入研究,一类具有非平庸特性的新型材料——拓扑绝缘体引起了人们极大的兴趣.与此同时,随着人工超材料的发展,一种可以产生新型单向传输模式且无背散射的拓扑光子晶体(Topological Photonic Crystals)引起非常大的关注.在本文中,根据时空反演对称性和量子自旋霍尔效应(QSHE)理论,我们构建了一个工作频率在太赫兹波段的拓扑光子晶体,当扩展或压缩六角蜂窝状晶格时,空间反演对称性会被打破,从而打破能带简并实现光子能隙结构,将具有相反拓扑特性的光子晶体摆放在一起,在它们的交界面可实现具有单向传输且不受缺陷影响的拓扑边界态.本文在太赫兹波段实验表征了该拓扑光子晶体的反射谱特性,发现扩展和压缩六角蜂窝状晶格获得的拓扑光子晶体的反射谷频率分别对应他们各自第一能带p±在Γ点处的频率,由此可得知光子能隙的宽度,为拓扑光子晶体的验证提供了新的手段.

    拓扑光子晶体量子自旋霍尔效应边界态反射谱

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    基于激光等离子体的太赫兹脉冲驱动电子偏转

    王丹刘浩王为武王天泽...
    71-78页
    查看更多>>摘要：传统电子加速装置以射频场作为驱动场.相比之下,太赫兹辐射波长更短,加速梯度更高,是未来紧凑型电子加速装置的一种潜在驱动场.此外,太赫兹脉冲可以提供一个超快调制场用于压缩和测量电子脉宽.近年来,太赫兹场与电子的相互作用引起了广泛关注.强激光与等离子体相互作用可同时产生大能量的太赫兹脉冲和大电量的超短电子束,这一优势使其有望成为太赫兹场调控电子、太赫兹泵浦-电子探测的新型独特平台.本文以一种可行的实验布局为例,研究了激光等离子体产生的太赫兹脉冲对同向传播电子束的偏转作用.通过计算模拟,系统讨论了各参数对太赫兹场引起的电子偏转的影响,发现太赫兹电场强度或脉宽增加会使偏转现象更为显著,另外,偏转现象与太赫兹波形有关.初步的演示性实验定性验证了数值分析结果.

    激光-等离子体相互作用太赫兹辐射电子偏转

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    石墨烯微米带THz SPPs的激发及场分布特性研究

    汪云卢毅罗昊宇丁燕...
    79-85页
    查看更多>>摘要：表面等离激元可以突破衍射极限,具有强局域性,在传感、起偏、吸收、分束等方面具有广泛的应用前景.目前,太赫兹波段的表面等离激元器件研究大多是在远场光谱方面,其近场特性的研究有待更进一步深入.本文基于石墨烯微米带结构,研究了太赫兹表面等离激元的激发及场分布特性.本文设计了能够通过太赫兹波激发表面等离激元的石墨烯微米带结构,数值计算了其表面等离激元的场分布,并制备了石墨烯微米带器件,利用透射式太赫兹近场显微镜激发并测量了石墨烯微米带的表面等离激元,对共振失谐对等离激元场分布的影响进行了探究.研究结果为石墨烯表面等离激元器件在太赫兹生物传感、安全检测、高数据率通信等方面的应用提供了相关指导.

    太赫兹石墨烯表面等离激元近场测量

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    氨基酸分子水溶液的太赫兹无损检测

    施卫王海青侯磊董陈岗...
    86-91页
    查看更多>>摘要：大多数生物分子在液体环境中才能维持其生物活性,实现液态生物分子的太赫兹(THz)光谱检测对活性生物分子的功能与结构.无创性生物医学检测的研究具有重要的应用价值.本文利用铌酸锂(LiNbO3)光整流产生的THz辐射,结合喇叭形渐变平行平板波导的局域电场增强效应,构建了可以检测微量活细胞和含水生物分子的THz时域光谱测量系统,实现了对4-氨基苯甲酸(4-Aminobenzoic Acid)及谷氨酸(Glutamic Acid)溶液的THz光谱检测.结果 表明,去除水对THz波吸收的影响,4-氨基苯甲酸以及谷氨酸水溶液在0.1-2.0 THz频段有明显且独特的特征吸收峰.THz频段内的氨基酸水溶液特征吸收谱的获取为活性生物大分子或组织的检测奠定了基础.

    太赫兹光谱测量平行平板波导4-氨基苯甲酸谷氨酸

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