基于金属基底非对称介质超光栅的太赫兹宽带吸收谱增强

1

作者 王子靖 李向军 严德贤 《中国光学(中英文)》 北大核心 2025年第4期738-747,共10页

太赫兹分子指纹谱是一种非常有潜力的无标记检测方法,可以对微量甚至痕量样品进行检测。然而太赫兹波的波长远远大于待测分子的尺寸,导致波与痕量物质之间的相互作用较为微弱,需要额外结构来增强样品对电磁波的吸收。本文在金属基底上... 太赫兹分子指纹谱是一种非常有潜力的无标记检测方法,可以对微量甚至痕量样品进行检测。然而太赫兹波的波长远远大于待测分子的尺寸,导致波与痕量物质之间的相互作用较为微弱,需要额外结构来增强样品对电磁波的吸收。本文在金属基底上构造了倒置的非对称介质光栅结构。该结构利用导模共振(Guided-mode resonance,GMR)和连续域束缚态(Bound state In Continuum,BIC)显著提升了薄膜样品的太赫兹吸收谱。该结构仅需测量反射吸收信号就可以得到薄膜增强吸收谱,而且样品涂覆于平坦的倒置的介质光栅背面,易于制备。当该结构用于0.2μm厚的α-乳糖薄膜时,吸收谱幅度增强达到236倍。该结构为太赫兹波段痕量分析物的检测提供了一种新的方法。 展开更多

关键词 太赫兹 指纹谱 吸收增强 超光栅 金属基底

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太赫兹多维度相位调控反射超表面研究

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作者 黄若彤 李九生 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2024年第7期1858-1867,共10页

数字编码超表面可以控制电磁波传输,受到了广泛关注。大多数报道的编码超表面基于几何相位或传输相位实现对反射或者透射线极化波和圆极化波的2π相位覆盖,限制了太赫兹波调控灵活性。提出传输相位和几何相位相结合排布超表面,在线极化... 数字编码超表面可以控制电磁波传输,受到了广泛关注。大多数报道的编码超表面基于几何相位或传输相位实现对反射或者透射线极化波和圆极化波的2π相位覆盖,限制了太赫兹波调控灵活性。提出传输相位和几何相位相结合排布超表面,在线极化太赫兹波入射下,基于传输相位机理设计的超表面产生了涡旋波束。根据几何相位原理,在圆极化太赫兹波入射下,设计的超表面产生了反射波束的偏转,超表面可以在多个频点产生涡旋波束,在0.9和1.2 THz处产生拓扑荷数l=1和l=2的涡旋波束,通过卷积生成偏折涡旋波束。最后设计聚焦超表面,实现了反射聚焦。研究结果表明,设计的超表面提供了一种多自由度的太赫兹波偏振和相位操控方法,在太赫兹系统具有广阔的应用潜力。 展开更多

关键词 太赫兹 相位调控 涡旋波束 波束偏转

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太赫兹成像检测算法研究 被引量：5

3

作者 李建蕊 李九生 史叶欣 《现代电子技术》 北大核心 2019年第24期71-74,共4页

由于太赫兹波所处波段位置特殊性以及现阶段太赫兹成像系统性能的限制等,太赫兹波成像质量低,无法满足可视化效果,限制了其发展和应用。结合太赫兹图像模糊特征和灰度信息提出利用灰度特征对太赫兹图像进行图像分割来提高太赫兹图像质量... 由于太赫兹波所处波段位置特殊性以及现阶段太赫兹成像系统性能的限制等,太赫兹波成像质量低,无法满足可视化效果,限制了其发展和应用。结合太赫兹图像模糊特征和灰度信息提出利用灰度特征对太赫兹图像进行图像分割来提高太赫兹图像质量,抑制太赫兹图像背景噪声,保留太赫兹图像目标重要信息,实现太赫兹成像目标检测。实验结果与其他太赫兹图像处理方法结果对比表明,基于灰度特征的图像处理算法可以提高图像清晰度和对比度,实现精确分割,为太赫兹成像在安全检查和医学成像等应用中实现快速检测和提取目标奠定基础。 展开更多

关键词 太赫兹波 成像检测 灰度分析 图像分割 背景去噪 实验分析

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左/右圆极化波操控的多功能太赫兹超表面

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作者 蒋铭阳 李九生 郭风雷 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2024年第12期3371-3377,共7页

太赫兹波是指频率位于0.1~10 THz之间的电磁波,介于微波和红外之间,具有穿透力强、分辨率高、无电离辐射等优势,在安全检测、医学诊断、材料分析等领域有广泛应用前景。太赫兹技术发展与应用对太赫兹波多功能调控器件的需求日益增长,传... 太赫兹波是指频率位于0.1~10 THz之间的电磁波,介于微波和红外之间,具有穿透力强、分辨率高、无电离辐射等优势,在安全检测、医学诊断、材料分析等领域有广泛应用前景。太赫兹技术发展与应用对太赫兹波多功能调控器件的需求日益增长,传统介质在太赫兹波段响应微弱,超表面因其能够在波长尺度对太赫兹波进行调控,而且在加工和设计方面具有低成本、小体积等优势,受到研究人员广泛关注。目前已报道超表面太赫兹功能器件,或多或少存在着功能单一,而且受单一偏振波限制。当前,研究人员提出方案主要是改变亚波长超表面结构的几何形态和排列方式引入传输相位或通过旋转单元结构引入几何相位实现对电磁波参数调控,但是单种调控方式仍然存在可调谐性差等问题,因此设计基于传输相位和几何相位理论协同调控的超表面电场调控器件显得更具前瞻性和意义。引入一种全新对角双十字结构超表面,该超表面单元结构由顶层金属图案、中间介质层和底层金属板组成,结合传输相位与几何相位协同作用,完成对左圆偏振波和右圆偏振波独立调控。在频率为1.1 THz的左/右圆偏振波入射时,该超表面展现出多种功能,包括不同拓扑荷数的涡旋波束、波束分束、涡旋波分束、聚焦波束等。这种创新结构设计为多功能、多偏振的太赫兹调控器件研究提供了崭新的思路,为太赫兹无线通信领域的应用场景提供了潜在的可能性,同时也为太赫兹技术的不断发展提供了强大的推动力。在未来的研究中,可以通过改变超表面尺寸将其进一步拓展到微波和光学领域。 展开更多

关键词 太赫兹超表面 圆偏振波 传输相位 几何相位 太赫兹分束

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基于二氧化钒辅助超材料实现多功能器件研究

5

作者 李沙 曹莹珏 +3 位作者 李向军 章乐 李吉宁 严德贤 《光子学报》 北大核心 2025年第4期233-243,共11页

提出一种基于二氧化钒相变材料的多功能可切换太赫兹超材料器件。利用二氧化钒的相变特性,实现宽带吸收、线-圆偏振转换、线-线交叉偏振转换等功能。当二氧化钒处于金属态时,所设计的结构可以实现宽带吸收。研究结果表明,在2.11~4.89 TH... 提出一种基于二氧化钒相变材料的多功能可切换太赫兹超材料器件。利用二氧化钒的相变特性,实现宽带吸收、线-圆偏振转换、线-线交叉偏振转换等功能。当二氧化钒处于金属态时,所设计的结构可以实现宽带吸收。研究结果表明,在2.11~4.89 THz频段内吸收率超过90%,相对带宽为79.43%。当二氧化钒处于绝缘态时,所设计的结构可以实现偏振转换。在1.02~1.21 THz、1.39~2.34 THz、2.81~3.44 THz、3.60 THz等多个频段或频率点可以实现线-圆偏振转换;在1.21~1.39 THz、2.46~2.81 THz以及3.44~3.57 THz频段实现了线-线偏振转换。所设计的多功能可切换结构在通信、成像等智能领域有潜在的应用前景。 展开更多

关键词 太赫兹 超材料 宽带吸收 圆偏振转换 线偏振转换

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基于对数模型的自适应太赫兹图像目标检测 被引量：1

6

作者 李建蕊 李九生 史叶欣 《激光杂志》 北大核心 2019年第12期58-62,共5页

实验采用搭设的常温实时太赫兹成像系统,对隐藏在PVC材料下的金属剪刀进行局部成像,但成像结果对比度低,背景信息复杂,存在很强的噪声干扰。为更精准识别存在背景噪声和信息的太赫兹图像,提出一种基于对数模型的自适应太赫兹图像目标检... 实验采用搭设的常温实时太赫兹成像系统,对隐藏在PVC材料下的金属剪刀进行局部成像,但成像结果对比度低,背景信息复杂,存在很强的噪声干扰。为更精准识别存在背景噪声和信息的太赫兹图像,提出一种基于对数模型的自适应太赫兹图像目标检测算法。该算法由以下几部分组成:(1)高斯模糊;(2)在对数域中,获得对数增强因子;(3)自动确定不同像素区域的动态双阈值和映射方式;(4)根据太赫兹图像自身的局部特性进行初始化分割;(5)通过条件迭代进行图像自动分割,五个步骤逐一进行。与经典算法相比基于对数模型的目标检测算法可以滤去图像的背景噪声,对目标物的形状和边缘的提取更为清晰,对图像的目标检测能力更强,为其在安检和医学领域的应用提供了保证。 展开更多

关键词 太赫兹波成像 对数模型 检测

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基于介质超表面角度复用的太赫兹增强吸收谱 被引量：3

7

作者 李向军 马婵 +4 位作者 严德贤 裘国华 赵杨 杨佶 郭世辉 《中国光学（中英文）》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第4期731-739,共9页

利用太赫兹波段独特的指纹谱可以实现有机大分子的快速检测识别,然而微量物质的太赫兹吸收谱测量仍非常有挑战性。本文针对微量有机物,提出了一种基于介质超表面角度复用的太赫兹吸收谱增强检测方案。其中超表面衬底和十字单元结构均为... 利用太赫兹波段独特的指纹谱可以实现有机大分子的快速检测识别,然而微量物质的太赫兹吸收谱测量仍非常有挑战性。本文针对微量有机物,提出了一种基于介质超表面角度复用的太赫兹吸收谱增强检测方案。其中超表面衬底和十字单元结构均为高阻硅,具有高Q谐振特性。不同太赫兹波入射角对应的超表面响应曲线上的谐振峰频率可覆盖0.50~0.57 THz。超表面上覆盖0.5~2.5μm乳糖薄膜作为待测物时,各入射角度对应的谐振峰幅度随待测物的吸收谱大幅度改变,其包络线组成的吸收谱峰值比没有十字单元结构时最多增强可达82.59倍。仿真结果表明该介质超表面经过角度复用可在宽带范围内有效增强太赫兹吸收谱,经过优化设计可用于检测不同特征峰微量有机物质。 展开更多

关键词 太赫兹 超表面 吸收谱 角度复用 增强

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基于透射型几何相位编码超表面的太赫兹波束自由操控 被引量：9

8

作者 唐小燕 柯友煌 +3 位作者 井绪峰 别寻 李晨霞 洪治 《光子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第1期142-155,共14页

为了实现太赫兹波束的自由操控,基于Pancharatnam-Berry几何相位理论,提出一种多层C型单元结构,实现在目标频率下0到2π的太赫兹波透射传输相位调控。基于广义斯涅耳定律,构建2-bit和3-bit编码超表面,在圆偏振入射条件下,实现透射型太... 为了实现太赫兹波束的自由操控,基于Pancharatnam-Berry几何相位理论,提出一种多层C型单元结构,实现在目标频率下0到2π的太赫兹波透射传输相位调控。基于广义斯涅耳定律,构建2-bit和3-bit编码超表面,在圆偏振入射条件下,实现透射型太赫兹波束的散射角度调控。采用数字信号处理理论中的傅里叶卷积运算,对不同周期序列的编码超表面进行四位制编码卷积运算,获得新的编码序列,实现对透射太赫兹波散射角度的自由调控。利用多层C型编码超表面单元结构对其进行旋转编码,实现1阶和2阶涡旋相位板,产生不同阶数太赫兹波涡旋光束。 展开更多

关键词 电磁波 超表面 太赫兹波 傅里叶卷积 几何相位 散射

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基于双阈值canny均衡化算法的太赫兹图像增强 被引量：3

9

作者 史叶欣 李九生 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2018年第6期1680-1683,共4页

存在于微波与远红外之间的太赫兹波,因其无损害,稳定性高等独特性质使太赫兹光谱与成像技术在近几年来得到了迅猛的发展。太赫兹波独有的无损伤检测特性,在安全检测方面具有良好的发展前景,获得广大学者的研究和关注。经过太赫兹成像系... 存在于微波与远红外之间的太赫兹波,因其无损害,稳定性高等独特性质使太赫兹光谱与成像技术在近几年来得到了迅猛的发展。太赫兹波独有的无损伤检测特性,在安全检测方面具有良好的发展前景,获得广大学者的研究和关注。经过太赫兹成像系统获得的太赫兹图像,虽然可以识别出隐藏的武器或其他金属制品,但是太赫兹图像的对比度和清晰度均较差,不能完全符合人眼的视觉效果,也不利于机器识别。目前,对太赫兹图像质量的提高和改善,成为太赫兹成像技术长远发展和广泛应用的关键问题。实验采用太赫兹波投射式成像系统对藏于物体中的金属心型吊坠和金属箭头进行成像,扫描步长0.5mm,由于太赫兹光源大,能量起伏等系统缺陷,以及外部环境的复杂与干扰,导致成像所得图像均有背景噪声严重,边界模糊等问题,成像质量较差。提出一种基于双阈值的canny均衡化太赫兹图像增强算法,根据太赫兹图像自身性质限制,确定阈值和对图像均衡化的范围,实现图像降噪并引入双阈值canny算法和梯度幅值算法,使图像的对比度和清晰得到整体提高,并保留和突出太赫兹图像的细节信息,获得高分辨率、边缘清晰的图像。实验表明该算法对太赫兹图像具有良好的降噪效果,能够保留图像细节信息,图像对比度和图像质量得到增强和提高,同时增强了太赫兹成像技术对隐藏缺陷或隐藏物体的辨别能力和透视能力,为其在安检应用方面提供必要保证。 展开更多

关键词 太赫兹波成像 图像增强 CANNY算法 去噪

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基于科赫曲线分形结构太赫兹带通滤波器 被引量：2

10

作者 马宏宇 李九生 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2020年第3期733-737,共5页

太赫兹滤波器是太赫兹通信、太赫兹成像和太赫兹检测等太赫兹应用系统中不可或缺的功能器件。按照不同的分类方式,滤波器有不同的种类,常见的按照选频功能可分为高通滤波器、低通滤波器、带阻滤波器和带通滤波器。为了实现在太赫兹波段... 太赫兹滤波器是太赫兹通信、太赫兹成像和太赫兹检测等太赫兹应用系统中不可或缺的功能器件。按照不同的分类方式,滤波器有不同的种类,常见的按照选频功能可分为高通滤波器、低通滤波器、带阻滤波器和带通滤波器。为了实现在太赫兹波段的滤波效果,世界各地的研究人员利用不同的结构、材料和控制方式实现了功能各异的太赫兹滤波器,但是考虑到设计的器件要应用到太赫兹系统中,成本低廉、结构简单、性能优越的太赫兹滤波器一直是研究人员的追求。分形概念自提出以来在很多研究领域都有了快速发展,但是在太赫兹波段的应用还不是很常见,特别是应用于太赫兹功能器件的设计。引入分形中科赫曲线的概念设计并制备了一种新型的太赫兹带通滤波器,该滤波器是在金属薄膜上刻蚀出科赫曲线分形结构,当太赫兹波垂直入射到该滤波器时候实现了在太赫兹波段的窄带滤波。在滤波器的设计过程中,追求理论与实验相结合,首先在电磁仿真软件中建立科赫曲线分形结构滤波器模型进行计算,探究分形结构应用于太赫兹波段进行滤波的可行性,在进行多次计算之后得到优化后的尺寸和结构,然后根据优化后的尺寸加工出科赫曲线分形结构太赫兹滤波器样品,并且将样品放在太赫兹时域光谱系统中进行实验测量,得到实验数据后与仿真结果进行比较。在仿真中利用了时域有限差分法模拟科赫曲线分形结构太赫兹带通滤波器的传输特性,优化后的仿真结果表明:滤波器的谐振频率为0.715 THz,透射系数能够达到0.92,-3 dB带宽为21.9 GHz,将仿真得到的散射参数进行S参数反演得到了太赫兹滤波器样品的电磁参数,这在理论上分析了太赫兹波在谐振点处产生透射增强的原因。利用飞秒激光微加工系统制备了尺寸优化后的科赫曲线分形结构太赫兹带通滤波器样品,然后使用太赫兹时域光谱系统对样品的传输特性进行测试,对实验得到的时域数据进行快速傅里叶变换之后得到频域数据,再把频域数据进行归一化处理后与之前的电磁仿真结果进行对比,发现实验测得的结果与电磁软件仿真得到的结果较为吻合。 展开更多

关键词 太赫兹带通滤波器 科赫曲线分形 参数反演 太赫兹时域光谱

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太赫兹频率编码器

11

作者 李绍和 李九生 孙建忠 《深圳大学学报（理工版）》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第2期162-169,共8页

提出T形结构太赫兹频率编码器,其由初始相位值相同、相位灵敏度不同的4种同一形态、尺寸不一的T形编码超表面单元构成.利用预先设计的编码序列,实现对太赫兹波1 bit、2 bit编码和非周期太赫兹频率编码.无需重新设计编码器结构,仅通过改... 提出T形结构太赫兹频率编码器,其由初始相位值相同、相位灵敏度不同的4种同一形态、尺寸不一的T形编码超表面单元构成.利用预先设计的编码序列,实现对太赫兹波1 bit、2 bit编码和非周期太赫兹频率编码.无需重新设计编码器结构,仅通过改变工作频率,就可灵活控制反射太赫兹波的方向,理论计算与软件仿真结果吻合.提出的太赫兹频率编码器对反射太赫兹波主瓣能量具有很好的分散作用,能有效减少雷达散射截面.该器件在太赫兹波隐身中具有巨大应用价值. 展开更多

关键词 非线性光学 太赫兹波 频率编码器 太赫兹调控 相位灵敏度 能量辐射

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光栅-液晶复合结构太赫兹移相器

12

作者 龙洁 李九生 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2021年第9期2717-2722,共6页

随着太赫兹技术及其应用的快速发展,各类太赫兹控制器件需求也随之增加,作为太赫兹系统重要器件之一,太赫兹波移相器成为当前研究热点。已有移相器存在着尺寸较大、结构复杂、相移量较小等问题,为克服上述缺陷,提出一种光栅-液晶复合结... 随着太赫兹技术及其应用的快速发展,各类太赫兹控制器件需求也随之增加,作为太赫兹系统重要器件之一,太赫兹波移相器成为当前研究热点。已有移相器存在着尺寸较大、结构复杂、相移量较小等问题,为克服上述缺陷,提出一种光栅-液晶复合结构太赫兹移相器,该器件结构为石英、石墨烯、液晶盒、光栅结构、石墨烯和石英组成。通过改变石墨烯电极上电压,使液晶折射率发生改变,相移器的相位因折射率改变而发生变化,通过控制外加电压可以实现对太赫兹波相移量有效调控。计算结果表明,该移相器在0.39~0.46 THz频率范围内实现了400°相移量,回波损耗小于-11 dB,在频率0.43 THz处,最大相移量达到422°。太赫兹波入射角在0°~30°范围内变化,移相器的相移量保持不变,而且该器件对入射太赫兹波偏振态不敏感。所设计的太赫兹移相器具有相移量大、结构尺寸小等优点,在未来的太赫兹通信、安检、医疗、传感、成像等领域中具有广阔的应用前景。 展开更多

关键词 石墨烯 太赫兹 动态调控 移相器

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基于柔性基底动态调焦石墨烯超表面聚焦反射镜的仿真研究 被引量：4

13

作者 李向军 候小梅 +3 位作者 程钢 裘国华 严德贤 李九生 《中国光学》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第4期1019-1028,共10页

焦距范围可调的超薄聚焦反射镜在片上太赫兹光谱和成像等紧凑型系统中有重要应用价值。通过改变几何尺寸和调节化学势可以使石墨烯亚波长反射结构获得0~2π的相位,结合聚二甲基硅氧烷(PDMS)柔性基底的动态拉伸可以实现大动态范围的超薄... 焦距范围可调的超薄聚焦反射镜在片上太赫兹光谱和成像等紧凑型系统中有重要应用价值。通过改变几何尺寸和调节化学势可以使石墨烯亚波长反射结构获得0~2π的相位,结合聚二甲基硅氧烷(PDMS)柔性基底的动态拉伸可以实现大动态范围的超薄太赫兹聚焦反射镜。本文设计了一个工作频率为1.0 THz,宽度为12 mm,焦距为60 mm,厚度为75μm的柔性基底动态调焦石墨烯超表面聚焦反射镜。首先在基底自然状态下通过掺杂调节单元石墨烯条的化学势和改变宽度使其反射相位覆盖0~2π相位,并按照预定设计的相位空间分布达到反射聚焦效果。然后通过横向拉伸柔性基底实现反射镜焦距的动态调节。仿真结果表明:柔性基底长度在100%~140%内范围变化时,反射镜的焦距由53.4 mm增加到112.1 mm,动态调焦范围可达到最小焦距的109.7%,同时聚焦效率从69.7%减小到46.8%。此外,本文还研究了该反射镜在宽频带范围的工作性能。仿真结果表明:其对于在0.85~1.0 THz范围内的入射平面波都能实现良好的动态聚焦。 展开更多

关键词 太赫兹 石墨烯 超表面 柔性基底 动态聚焦

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超表面实现复杂矢量涡旋光束的研究进展 被引量：11

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作者 柯岚 章思梦 +2 位作者 李晨霞 洪治 井绪峰 《光电工程》 CAS CSCD 北大核心 2023年第8期36-56,共21页

作为一种人工微纳器件,超表面能够对光束的传播和相位进行精确的调控。具有不同偏振矢量特性的涡旋光束具有独特的光场分布特性,利用超表面生成复杂状态的矢量涡旋光场具有越来越广泛的研究前景。本文针对产生矢量涡旋光束超表面的材料... 作为一种人工微纳器件,超表面能够对光束的传播和相位进行精确的调控。具有不同偏振矢量特性的涡旋光束具有独特的光场分布特性,利用超表面生成复杂状态的矢量涡旋光场具有越来越广泛的研究前景。本文针对产生矢量涡旋光束超表面的材料进行分类,介绍了金属超表面、全介质超表面和智能超表面在矢量涡旋光束生成和调控方面的研究进展。我们详细阐述了超表面利用不同相位理论对入射波前调制的原理和超表面生成的不同矢量涡旋光束的特性,并探讨了这两者之间的联系。此外,我们总结了利用超表面代替传统光学器件生成矢量涡旋光束的优势,并展望了未来利用不同材料的超表面进行矢量光场调控研究方面的挑战和可能性。 展开更多

关键词 超表面 矢量光束 涡旋光束

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