基于太赫兹光谱调制的周期性圆孔阵列应变传感器研究

为解决传统太赫兹应变传感器制造复杂、成本高、鲁棒性差的问题，研究人员提出了一种基于聚四氟乙烯（PTFE）基板周期性圆孔阵列的应变传感器。通过实验测量和力学-电磁耦合仿真，验证了应变对太赫兹传输光谱的线性调制效应，为工程环境中的应变监测提供了简单、低成本且可靠的解决方案。

　　

在工程结构健康监测领域，应变传感器是评估材料变形和结构完整性的关键工具。传统基于微纳加工技术的太赫兹（THz）应变传感器，如Li等提出的I形或交叉形超材料结构，虽能实现高灵敏度检测，但其制造过程依赖复杂的光刻和蚀刻工艺，且需使用金等昂贵材料，导致成本居高不下。此外，这些微米级结构在复杂工程环境（如桥梁、大坝）中易受机械损伤，限制了实际应用。如何开发兼具低成本、高鲁棒性和可靠性的应变传感器，成为亟待解决的难题。

针对这一挑战，中国国家自然科学基金支持的研究团队创新性地提出了一种基于周期性圆孔阵列的太赫兹应变传感器。该传感器以聚四氟乙烯（PTFE）为基底，通过机械加工圆孔阵列形成亚波长结构，利用应变引起的几何变形调制太赫兹波的衍射与干涉效应，而非依赖传统超材料的电磁共振原理。研究通过空间太赫兹时域光谱系统（THz-TDS）实验和力学-电磁耦合仿真，证实圆孔直径0.45 mm的传感器在0.2–0.6 mm波长范围内产生显著吸收谷（dip），且应变可使其频率线性偏移，灵敏度达0.5 GHz/με。相关成果发表于《Optics》。

研究采用三项关键技术：1）空间THz-TDS系统（含飞秒激光器与光电导天线）测量传输光谱；2）有限元分析（FEA）模拟PTFE板在应变下的结构变形；3）时域有限差分法（FDTD）计算太赫兹波与变形结构的相互作用。实验样本为直径0.25–0.65 mm的圆孔阵列，通过拉伸装置施加0–3000 με应变。

实验系统与样本
THz-TDS系统以800 nm飞秒激光激发太赫兹脉冲，通过延迟线控制探测光路，记录时域信号并转换为频域光谱。PTFE板圆孔阵列通过数控机床加工，孔径精度达±5 μm。

结果与讨论
仿真显示0.45 mm孔径传感器在0.4 THz处出现深度吸收谷（图4a）。实验证实应变每增加1000 με，吸收谷频率偏移0.5 GHz（图5b），且线性度优于R²

0.98。力学-电磁耦合模型揭示应变导致孔间距变化，进而改变衍射条件，是光谱调制的物理机制。

结论
该研究通过圆孔阵列的几何设计替代传统超材料，实现了太赫兹应变传感器的低成本（无需微纳加工）与高鲁棒性（PTFE基板抗蠕变）。其线性响应特性为大型工程结构的长期监测提供了新思路。未来可通过优化孔径比和阵列周期进一步提升灵敏度。

意义
这项研究突破了超材料传感器对精密结构的依赖，将太赫兹应变检测技术推向实用化阶段。其核心价值在于：1）制造工艺简化，成本降低90%以上；2）PTFE材料的化学惰性适用于恶劣环境；3）线性响应便于信号解译，为智能基础设施监测开辟了新途径。