全介质超材料太赫兹功能器件的设计与特性分析

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太赫兹波通常被定义为频率在100 GHz-10 THz之间,具有特殊电磁特性的电磁波。太赫兹技术是一个非常重要的交叉前沿领域,广泛应用于成像系统,安检及雷达领域中。由于自然界中许多生物大分子的振动和旋转频率均处于太赫兹频段,因此太赫兹技术为生物信息检测提供了一种强有力的手段。由于太赫兹超材料吸收器可以有效地提升检测效果,因此超材料吸收器在制备高灵敏度生物化学传感器方面具有很大的潜力。其中全介质超材料的吸收器由于其低损耗,易加工,性能更稳定等优点,引起了人们的广泛关注。本文提出了两种基于全介质材料的吸收器。两种吸收器分别可以实现在太赫兹频率范围内的单频或多频吸收,并且吸收峰都具有较高的品质因子Q。其中,单频超材料吸收器由圆柱体硅和方形聚酰亚胺衬底构成。该超材料吸收器可以在0.57THz处实现99.75%的高吸收。该吸收器具有偏振不敏感和宽角度入射的特性。由于硅材料具有光调特性,该吸收器可以实现调制深度为65.31%的光调控。此外,该吸收器对于顶层分析物介电常数的改变较敏感,具有良好的传感性能。而多频吸收器由一维硅光栅构成,可以在0.2-2.5 THz的工作频率范围内实现高Q值的多频吸收,且吸收率均大于91%。实验结果与仿真结果具有良好的一致性。与单频吸收器相同,多频吸收器同样具有光调特性和传感特性。为了探究该吸收器的传感性能,本文将不同浓度的农药滴加在超材料表面,利用太赫兹时域光谱测试其反射光谱。实验结果表明,吸收器共振峰处的吸收振幅与农药浓度之间具有良好的线性关系,在农药探测领域具有潜在的应用价值。
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