上海光学精密机械研究所----上海光机所在太赫兹超材料传感器方面取得新进展

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超强激光科学卓越创新简报

(第五百八十五期)

2024年12月26日

上海光机所在太赫兹超材料传感器方面取得新进展

近日，中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光元件技术与工程部吴卫平研究员团队，与上海理工大学袁英豪副教授团队合作，基于单层四分之一环图案的超材料，实现了一种太赫兹波段新型双参数传感器的设计，相关成果以“Multi-parameter Terahertz Metamaterial Sensors based on Single-Layer Quarter Ring Patterns”为题发表于Optics & Laser Technology。

达芬奇是文艺复兴时期杰出的画家、科学家和工程师，他不仅创造了《蒙娜丽莎》，而且在他的一生中留下了大量的手稿，展示了人类对科学与艺术的结合追求。他的手稿记录了绘画与解剖学的研究，还涉及飞行器、建筑、军事机械等跨时代的构想。这种多领域的探索精神与现代科学研究中跨学科融合的趋势不谋而合。科学和艺术是一个硬币的正反两面，正如达芬奇在其时代构建未来的科技图景，今天的研究人员也通过创新设计推进科学技术的边界。在达芬奇手稿中的几何和数学启发下，科研人员设计了一种基于四分之一圆环的太赫兹超材料。

太赫兹波段具有独特的光谱信息，对研究生物大分子的动态行为和高灵敏度检测意义重大。然而，由于天然材料与太赫兹波的相互作用较弱，传统检测手段面临灵敏度不足的问题。而基于超表面技术的解决方案，通过设计具有高度对称性和功能化的结构，增强了太赫兹波与生物分子的交互效果，从而显著提高了检测性能。

图1. (a)超材料周期结构的俯视图， (b)单元结构的俯视图，(c)周期结构的三维视图，(d)单元结构的三维视图。

在超材料的应用研究中，图1所示的结构设计展示了如何通过几何对称性和材料特性优化光谱响应。特别是多极共振的引入，通过抑制辐射损耗实现了窄带谱响应，通过局部电场的增强（图2）提升了传感器的灵敏度，还实现了对折射率和温度敏感的双参数太赫兹传感功能。这种太赫兹超材料具有结构简单、加工容易、易于小型化以及高灵敏度等优点，在传感、工业过程控制、环境监测和生物等多个领域，具有广泛的潜在应用。