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太赫兹(THz)技术由于其在无线通信,光谱学,成像和生物医学等的巨大应用潜力而备受关注。为了在实际应用中使用THz波,已经集中开发了集成本和效益于一体的THz滤波器,调制器,移相器,开关器等。为了克服THz波段中天然材料电磁特性的局限性,人工可控电磁性能超材料应运而生。超材料对电磁波的响应是由具有周期性图案的谐振结构决定,不同超材料单元结构的设计为人工操控THz波提供了无限可能。二氧化钒作为热控系统的理想材料,在温度激励下会发生绝缘相到金属相的可逆相变,相变时间短可控性强,其优异的性能受到越来越多的关注。因此,基于二氧化钒相变原理探索更多不同结构的超材料谐振单元,开展人工可调THz超材料性能和应用的研究和探索意义重大。本文围绕金属与二氧化钒结合成不同的周期性图案实现对太赫兹波的主动控制,控制方式灵活多样效果明显,主要开展如下工作:(1)通过金属表面刻蚀不同图案化结构,展现了调制器谐振频点依次由一个增加到四个的过程。通过二氧化钒绝缘相到金属相的相变原理,实现了太赫兹波振幅的动态调控,最终得到四频点调制器在0.31THz、0.54THz、0.77THz、1THz处绝对调制深度为0.82、0.66、0.85和0.64。证明了绝对调制深度用于衡量调制器性能的合理性,用表面电流表面电场图解释了产生谐振的机理及其谐振频点的变化原因。最后分析得到入射角度φ在0°到30°变化时四频点调制器谐振特性稳定。(2)基于“T”形和多开口谐振环两种双频可调谐THz调制器的设计。电场沿Y轴极化时,二氧化钒相变前后“T”形调制器谐振点从3.84THz移至3.6THz和4.29THz,相位变化最大为68°,多开口谐振环调制器谐振点从3.48THz和4.05THz移至3.82THz和4.49THz,相位变化最大为100°。电场沿X轴极化时,二氧化钒相变前后“T”形调制器谐振点从3.67THz和4.45移至3.77THz,相位变化最大为112°。多开口谐振环传输不受电场极化方式影响,谐振特性不变。通过表面电场电流解释了谐振频率的变化和电磁响应。分析了基底尺寸增大谐振点红移的特点,设计的多开口谐振环对入射角φ在90°范围内变化谐振特性保持不变。(3)通过条状二氧化钒与金属条按照不同排列的方式,基于近场耦合理论实现了等离子体诱导透明效应(Plasmon-Induced Transparency,PIT)。分析了基于PIT效应调制器的形成原因和形成机理、耦合距离变化对调制器的影响以及在传感和慢光方面的应用,传感灵敏度为1.092THz/RIU,FOM值为9.02,在慢光中群延迟为2.7ps。通过温控二氧化钒超材料,同时实现了透明窗口的幅度调制和透射谷的谐振频点移动,相变前后谐振点从3.18THz和3.45THz移至2.9THz和3.45THz,在2.98THz、3.12THz、3.18THz、3.29THz、3.33THz、3.45THz频点处绝对调制深度分别为0.55、0.51、0.7、0.5、0.62、0.68。提出的超材料结构为可调谐器件、慢光器件、传感器、开关器等的设计提供了更多可能性。