超宽带角度稳定的太赫兹反射式交叉偏振转换器与高灵敏度生物传感的集成研究

为解决传统太赫兹偏振转换器带宽窄、成本高且难以集成生物传感的问题，研究人员设计了一种基于铝和聚酰亚胺的反射式超表面器件。该器件实现了3.044 THz超宽带偏振转换（PCR>90%）和0.95 THz/RIU的高灵敏度生物检测，为癌症早期诊断和太赫兹传感提供了经济高效的解决方案。

　　

太赫兹技术因其在生物医学成像、通信和传感领域的潜力备受关注，但现有偏振转换器件面临带宽窄（通常<1 THz）、依赖贵金属（如金）和生物传感灵敏度不足的瓶颈。例如，石墨烯基器件仅实现0.926 THz带宽和0.49 THz/RIU灵敏度，难以满足实际需求。哈尔滨工程大学和哈尔滨医科大学的研究团队提出了一种创新性解决方案：通过铝-聚酰亚胺超表面结构，将超宽带偏振转换与高灵敏度生物传感功能集成于单一平台。

研究采用全波电磁仿真优化单元结构，通过分析反射系数（R_yy、R_xy等）和偏振转换比（PCR），验证了2.124-5.168 THz范围内PCR>90%的性能。生物传感测试通过模拟不同癌症相关分析物（如血液、宫颈组织）的折射率变化，计算灵敏度达0.95 THz/RIU。

单元结构与仿真设置
设计采用0.1 μm铝谐振层和聚酰亚胺介质（ε=3.1），通过各向异性几何结构实现线性-交叉偏振转换，导电率为3.56×10⁷ S/m。

偏振转换性能分析
交叉偏振反射系数（R_xy）>0.9，平均PCR达95%，峰值效率99.9%，且在40°入射角下保持PCR>80%。

生物传感性能
通过分析谐振频移与折射率变化的关系，实现对宫颈癌（n=1.40）、皮肤癌（n=1.45）等的高灵敏度检测，优于多数贵金属基器件。

结论与意义
该研究首次在低成本平台上同步实现超宽带（3.044 THz）、高角度稳定性（40°）偏振转换与高灵敏度（0.95 THz/RIU）生物传感，突破了传统设计的功能单一性限制。其采用的材料（铝/聚酰亚胺）和结构优化策略为太赫兹诊疗设备的小型化和实用化提供了新范式，尤其适用于资源有限地区的癌症筛查。作者Bo Lv和Taha Sheheryar强调，该技术可扩展至其他频段，推动太赫兹技术在精准医疗中的应用。