常胜江，男，博士，南开大学电子信息与光学工程学院教授、博士生导师。1996年毕业于南开大学现代光学研究所，获得博士学位，2018-2000年间在香港城市大学电子工程系从事博士后研究工作，2001年破格晋升为教授。主要从事太赫兹微结构器件及其应用、太赫兹光谱以及传感技术的研究工作，发表学术论文200余篇。目前主持国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划项目等，获得2022年度天津市自然科学二等奖（排名第一）

自然材料对太赫兹波的电磁响应较弱，利用太赫兹微结构超表面的谐振的场局域特性可以显著地增强太赫兹波与物质间的相互作用，是研制高性能太赫兹功能器件的有效手段。本书系统阐述太赫兹超表面的光场调控的基础理论与应用，介绍太赫兹超表面常用的优化设计方法、加工手段和实验表征技术，并对太赫兹波束的波前调控器件、偏振控制器件、多功能集成器件、有源放大器件及其应用进行全面介绍。

第1章超材料与超表面概述1

1.1超材料的发展及应用1

1.2超表面简介3

1.2.1从超材料到超表面3

1.2.2超表面的研究现状5

1.3太赫兹技术及太赫兹超表面7

1.3.1太赫兹技术概述7

1.3.2太赫兹超表面器件的研究进展9

本章参考文献13

第2章超表面光场调控基本理论19

2.1基于等效媒质理论的传输相位调控19

2.1.1周期结构的模式展开分析法19

2.1.2零阶和高阶等效媒质理论21

2.1.3有限厚度等效媒质的薄膜理论22

2.1.4等效媒质的传输相位22

2.2基于电路模型的谐振相位调控23

2.2.1介质平板的传输线电路模型24

2.2.2单层及多层金属超表面的等效电路模型26

2.3基于Mie散射的谐振相位调控29

2.4几何相位调控30

2.5偏振调控理论32

2.6基于广义斯涅耳定律的波前调控理论34

2.7波前的远场近场变换理论35

2.7.1菲涅耳衍射理论35

2.7.2格林函数法36

本章参考文献38

第3章超表面的设计及优化方法41

3.1参数遍历方法41

3.2基于优化算法的逆向结构设计43

3.2.1基于梯度的优化算法43

3.2.2无梯度优化算法44

3.3基于深度学习的结构设计46

3.3.1深度学习神经网络概述47

3.3.2神经网络的基本结构50

3.3.3全连接神经网络53

3.3.4卷积神经网络55

3.3.5深度学习辅助超表面优化设计实例56

本章参考文献64

第4章太赫兹超表面的加工方法与实验表征系统66

4.1太赫兹超表面的常用加工方法66

4.1.1光刻与刻蚀66

4.1.2飞秒激光微纳加工70

4.1.33D打印71

4.2太赫兹时域光谱表征系统73

4.3太赫兹超表面的偏振光场表征系统79

4.4太赫兹成像系统82

4.4.1连续波太赫兹成像系统82

4.4.2脉冲太赫兹非扫描式成像系统84

4.4.3太赫兹单像素成像系统85

本章参考文献87

第5章太赫兹波前调控器件91

5.1太赫兹定向波束发射器件91

5.1.1超光栅的模式分析与优化设计91

5.1.2定向发射器的实验测试与讨论96

5.2太赫兹波束扫描器件98

5.2.1波束扫描器件结构98

5.2.2一维波束扫描的测试与分析100

5.2.3三维空间波束扫描的实验测试102

5.2.4角度自适应的动态回射器104

5.3太赫兹超透镜106

5.3.1非局域衍射波前调控理论106

5.3.2太赫兹大数值孔径平面柱透镜的理论与实验研究108

5.3.3太赫兹大数值孔径三维聚焦超透镜的设计与成像研究111

5.4太赫兹全息成像112

5.4.1用于全息成像的太赫兹电介质超表面的理论设计112

5.4.2太赫兹电介质全息超表面的加工及实验验证115

本章参考文献116

第6章太赫兹偏振调控器件118

6.13D打印的太赫兹宽带偏振控制器件118

6.1.1基于超光栅的太赫兹宽带半波片118

6.1.2宽带太赫兹矢量波束发生器124

6.2基于超薄金属微结构的太赫兹偏振控制器128

6.2.1超薄金属偏振控制超表面单元设计128

6.2.2矢量光和矢量涡旋光超表面的设计与理论分析132

6.2.3矢量光超表面的制备与实验测试136

6.3基于石墨烯的太赫兹动态偏振控制器件138

6.3.1基于石墨烯—介质复合超表面的双功能太赫兹偏振控制器138

6.3.2基于石墨烯—介质复合超表面的宽带可调谐太赫兹偏振控

制器144

本章参考文献148

第7章太赫兹多功能集成超表面150

7.1频率复用的独立偏振与波前调控器件150

7.1.1双波段双功能波片的理论设计与分析150

7.1.2双波段双功能波片的加工与实验测试157

7.1.3双波段太赫兹超透镜的设计与实验论证158

7.2角度复用的偏振与波前调控器件160

7.2.1一维介质光栅的角度色散机理分析160

7.2.2角度复用的波前调控器件164

7.2.3角度复用的多功能偏振调控器件165

本章参考文献168

第8章太赫兹超表面放大器件169

8.1石墨烯在太赫兹波段的光泵浦特性170

8.2基于石墨烯—介质复合超表面的反射式太赫兹放大器171

8.2.1单层石墨烯的增益特性分析171

8.2.2高Q值反射式介质超表面的结构及响应173

8.2.3石墨烯—介质反射超表面的反射式光放大结果174

8.2.4太赫兹波放大的物理机制176

8.3基于石墨烯—介质超表面的透射式太赫兹放大器178

8.3.1多层石墨烯与高Q值介质谐振腔的独立分析178

8.3.2超表面的太赫兹波放大性能分析181

本章参考文献183

第9章太赫兹超表面生物传感185

9.1活性细胞增殖的太赫兹圆二色性传感研究185

9.1.1超光栅传感器的性能研究186

9.1.2HepG2肝癌细胞增殖抑制传感189

9.1.3三种肝癌细胞的圆二色性谱差异192

9.2氨基酸水溶液的手性传感193

9.2.1螺旋形手性超表面传感器的性能研究193

9.2.2脯氨酸、丙氨酸和酪氨酸溶液的浓度传感196

9.2.3氨基酸手性异构体溶液的手性鉴别204

本章参考文献206