基于超表面的太赫兹功能器件研究

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太赫兹技术因其潜在的重大应用前景而受到国内外广泛的关注。但是,由于传统的微波或者光波器件不能很好在太赫兹波段工作,导致太赫兹功能器件的匮乏,这极大地影响了太赫兹技术的发展与应用。近来,新兴超表面(一种利用亚波长单元结构操控电磁波特性的超薄平面)的出现为解决这一问题提供了有效手段,本论文基于超表面开展了多种太赫兹新型功能器件的研究,具体为:1、利用相位补偿方法,构建了工作在0.75 THz的大尺寸超表面隐身结构,实现了太赫兹反射波的完美重建,进而实现对隐身层所包裹物体的隐身。研究工作系统分析了入射光偏振对隐身特性的影响,并提出了偏振敏感和偏振不敏感的超表面隐身层设计。实验表明,设计的超表面隐身层在0.73 THz到0.8 THz仍能实现隐身,并且隐身层效率约为44.2%。设计的超薄超表面的隐身截面面积达到216.125λ~2,超过目前已报道的隐身尺寸与波长最大比值。2、利用多层的金属狭缝孔对构建的超表面,通过改变狭缝孔尺寸,在多个频率激发太赫兹表面波并同时引导其传播,实现了系列化的多波长表面波透镜(准消色差透镜、消色差透镜、反常色差透镜和类波分复用器透镜)。实验结果与仿真设计吻合,并理论上计算了透镜的效率:0.57%(0.6 THz),0.56%(0.75 THz)和0.48%(1 THz)。该工作为实现多波长太赫兹表面波的激发和聚焦提供了实验依据,为发展新型的太赫兹片上功能器件提供了有效的解决方案。3、利用相位梯度概念,设计了由硅圆柱组成的全介质超表面,实现了宽带、偏振无关、分束比可变的新型太赫兹分束器。该设计在0.7 THz实现了分束比从1.07(48.31:51.69)到301.6(0.33:99.67)的变化,测得的效率高达81.2%。此外,该设计从0.65 THz到0.95 THz都具有比较高的效率和分光功能。该工作在设计太赫兹空间光调制器件方面有重要借鉴意义。4、设计了两个介质超表面级联的双层超结构,通过调节两个超表面的相对角度,实现对1THz处的透射线偏振光出射角度的改变(从0°到180°)。即使在不同偏振下,该设计在工作频率处仍能将透射线偏振光旋转相同的角度。该方法将在太赫兹偏振控制器件方面有重要的应用前景。5、结合传播相位和几何相位的设计方法,构建了工作在1THz的新型超表面,能够实现在圆偏振光入射时产生三束沿不同方向传播的与入射偏振正交的圆偏振贝塞尔光束,而在线偏入射时,通过圆偏振态的叠加,能够产生四种偏振状态并且沿不同方向传播的贝塞尔光束。该设计方法将在设计太赫兹偏振波前控制器件方面具有重要参考意义。
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