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基于超表面的太赫兹全息成像器件研究

摘要

太赫兹波因为其特殊的频谱位置，具有许多优于微波与光波的特性，在太赫兹波段

设计成像器件，可以在医学检测，无损探测等领域有着广泛的应用。将计算全息术与太

赫兹成像器件相结合，可以更好地借助计算手段，全面且快速地对虚拟物体进行成像，

在军事领域以及癌症病变检测方面都有着巨大的应用潜力。正是因为太赫兹频段的特别，

能够对其进行调控的功能器件较为匮乏，目前应用较广的调控器件在太赫兹波段存在体

积庞大、难于集成以及效率偏低等缺点，这也暂时阻碍了太赫兹全息成像器件的发展。

随着微纳光学领域的深入研究，超材料的出现有效地解决了这一难题，能够为太赫兹技

术领域提供既轻薄又具有高度调控灵活性的功能器件。基于上述研究背景，本论文设计

了一种惠更斯超表面，在太赫兹波段实现多功能全息成像器件。

本文首先对基于超表面太赫兹成像器件的研究背景进行介绍，主要介绍太赫兹波技

术和全息成像理论，以及太赫兹全息成像器件的应用和发展现状。将成像器件与可以灵

活设计结构的人工电磁材料结合，拓宽了太赫兹全息成像器件的应用范围，再简单说明

了目前利用超表面实现太赫兹全息成像器件的国内外研究进展。在理论基础方面，本论

文对传统的计算全息算法进行改进，将工作频率拓展到太赫兹波段。同时介绍了超表面

的相位调控理论以及本论文在设计超表面时所采用的惠更斯原理，是如何通过改变导纳

与阻抗值，对出射电磁波的相位进行调控。

设计了一种双层金属贴片的透射型惠更斯单元结构，通过改变金属贴片的尺寸，就

可以实现对出射电磁波的相位进行调控，且保持幅值的均匀性。将预设图片划分为多个

像素点，根据点源算法计算出每个像素点的相位信息，再将所设计的惠更斯单元结构一

一放置到相应像素点，组成超表面。将电磁波垂直入射到惠更斯超表面后，就可以在透

射区域观察到图像，先后完成了单、双焦点的汇聚，以及多焦点全息图像的重建。

最后为了实现基于超表面的太赫兹全息成像器件的功能复用，实现从二维平面成像

拓展到三维立体结构成像，成像效果基本吻合，证明成像器件可以用来探测物体的深度。

为了增加超表面携带信息的容量，又将一种相变材料二氧化钒与惠更斯单元结构结合，

目的是实现在相变材料状态改变时，可以在不同的空间形成两幅不同的图像，较为灵活

地进行图像切换，增加传递信息的通道。

关键词：太赫兹成像器件；计算全息；惠更斯超表面；功能复用

基于超表面的太赫兹全息成像器件研究

Abstract

Becauseoftheirspecialspectralposition,terahertzwaveshavemanycharacteristics

superiortothoseofmicrowavesandlightwaves,andthedesignofimagingdevicesinthe

terahertzbandcanhaveawiderangeofapplicationsinthefieldsofmedicaltesting,non-

destructivedetection,andsoon.Thecombinationofcomputationalholographyandterahertz

imagingdevicescanbetterleveragecomputationalmeanstocomprehensivelyandrapidly

imagevirtualobjects,whichhasgreatpotentialforapplicationinthemilitaryfieldaswellas

inthedetectionofcancerouslesions.Itisbecauseofthespecialterahertzfrequencybandthat

theabilitytoregulatethefunctionofthedeviceisrelativelyscarce.Inthe