【摘 要】
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太赫兹（Terahertz,THz）技术在诸多领域都有潜在的应用,对THz功能器件的研究能更好地推进THz技术的发展。超材料是一种人工设计的电磁复合材料,利用不同的微结构单元、材质和排列方式可以实现不同功能,利用超材料设计THz器件是一种有效途径。本论文详细研究了两类基于二氧化钒（Vanadium dioxide,VO2）的可调THz超材料器件,具体研究内容如下:1.设计了两种基于VO2的可调电磁
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太赫兹（Terahertz,THz）技术在诸多领域都有潜在的应用,对THz功能器件的研究能更好地推进THz技术的发展。超材料是一种人工设计的电磁复合材料,利用不同的微结构单元、材质和排列方式可以实现不同功能,利用超材料设计THz器件是一种有效途径。本论文详细研究了两类基于二氧化钒（Vanadium dioxide,VO2）的可调THz超材料器件,具体研究内容如下:1.设计了两种基于VO2的可调电磁诱导透明（Electromagnetically Induced Transparency,EIT）超材料,分别是双光栅条结构EIT超材料和双C形结构EIT超材料。前者由两根长度不同的光栅条和超薄石英（20μm）基底组成,其中VO2嵌在短光栅条两端。VO2是一种相变材料,当受热（或电）刺激会发生金属-绝缘相变,同时伴随着电导率的改变。当VO2处于绝缘相时,该EIT超材料具有慢光效应。利用表面电/磁场分布和表面电流分布分析了产生EIT效应的物理机制,详细讨论了器件结构尺寸变化对性能的影响。另外,考虑实验制备,采用厚度为254μm石英基底,将顶层结构优化为相对放置且大小不同的双C形结构,可实现在0.39THz处产生一个EIT窗口;将VO2嵌在小C形结构两臂末端,通过调节VO2的电导率实现EIT窗口的调制。最后通过太赫兹时域频谱系统测试验证了该超材料的EIT效应和VO2对EIT窗口的可调特性。2.提出了一种基于VO2的传输模式可调极化转换器,透射模式下实现单一频点的交叉极化转换,反射模式下实现多频段的交叉极化转换和线-圆极化转换。该器件由顶层分裂心形金属环、底层金属光栅和中间介质层组成,VO2填充在金属光栅条之间的缝隙里。当VO2处于绝缘相并且在透射模式下,该极化转换器实现了在单一频点2.25THz处的交叉极化转换,利用表面电流分布解释了其物理机制;当VO2处于金属相并且在反射模式下,该极化转换器在1.76-1.88THz和3.05-3.32THz频率范围内实现交叉极化转换,同时在1.46-1.60THz、2.08-2.76THz和3.64-4.00THz频率范围内实现了线-圆极化转换,它具有对入射THz波极化不敏感的特性。通过电场矢量分解和光学极化理论分析,解释了其极化转换机理,并探究了它的结构参数变化对性能的影响。在两种模式下,该极化转换器都可以在入射波30°范围内斜入射下保持其性能。最后拓展该极化转换器实现了反射模式下的宽带线-圆极化转换。本文所提出的超材料在可调THz集成光学器件中具有潜在的应用前景。
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