【摘 要】
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在过去的几十年中,太赫兹(THz)波由于在无线通信,传感器和成像领域的应用前景广阔而引起了许多学者的兴趣。随着THz技术的发展,学者们在该波段提出了基于超材料的各种功能器件,如滤波器、吸收器、偏振转换器等。其中将超材料吸收和偏振转换集成到一个器件中,在THz波段内有着重要的作用,因为双功能器件不仅可以根据系统的实时需求切换功能,更加智能地适应应用场景,提高环境的可持续性,也大大减少了器件开发的周期
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在过去的几十年中,太赫兹(THz)波由于在无线通信,传感器和成像领域的应用前景广阔而引起了许多学者的兴趣。随着THz技术的发展,学者们在该波段提出了基于超材料的各种功能器件,如滤波器、吸收器、偏振转换器等。其中将超材料吸收和偏振转换集成到一个器件中,在THz波段内有着重要的作用,因为双功能器件不仅可以根据系统的实时需求切换功能,更加智能地适应应用场景,提高环境的可持续性,也大大减少了器件开发的周期和成本。此外,双功能器件亦可为研究可调谐、智能和多功能设备提供指导,并在诸多领域具有广泛的应用,如能量收集、光学传感和隐身技术。二氧化钒(VO2)作为热控系统的理想材料,具有绝缘态到金属态的相变特性,在外部刺激下,其电导率可提高4-5个数量级且VO2的相变可以在超快的时间范围内(~100 fs)发生。本论文基于VO2独特的过渡特性,通过外部热刺激,理论上实现了从吸收到偏振转换的双功能器件。本论文利用有限元法对双功能器件进行了模拟计算,主要包括以下内容:一、通过设计混合“L”形金加“十”字形VO2的六层结构,实现了宽带偏振转换和宽带完美吸收双功能,分析了相应的工作原理。模拟结果表明,在温度约为298K时,VO2处于绝缘状态,在0.62至1.69 THz的宽频带内,将入射波转换为其交叉偏振反射波,同时其偏振转换率可达到80%以上。一旦温度到达约358K,VO2处于金属状态时,设计的器件表现为可调谐的宽带完美吸收性能,其吸收带在0.77至2.06THz的宽频带范围内,对应的吸收率大于80%,相对带宽达91.2%。二、在上述六层结构的基础上简化模型,提出了三层结构太赫兹宽带双功能器件,由“L”形金和倒“L”形VO2组成。同样地,在温度约为298K时,VO2处于绝缘状态,此时“L”形金起主导作用,从而实现了偏振转换功能,在0.83至1.92THz范围内,偏振转换率达80%以上,相对带宽79.7%。而当温度到达约358K时,VO2处于金属状态,双功能器件表现为宽带完美吸收性能,在0.71至2.11THz的范围内,吸收率大于80%,相对带宽达99.3%。这种THz双功能切换器件具有结构简单,带宽宽和效率高等优点。论文的研究结果为利用相变材料开发功能切换型光子器件提供了一种新途径,克服了功能单一、带宽窄、频率不可调等缺陷,具有较为重要的科学意义和潜在的应用价值。
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