基于二氧化钒超表面的动态太赫兹波束调控阵列研究

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太赫兹波在电磁波谱中位于微波和红外之间,这样特殊的频率范围使其具有一些独特的性质,这些性质使其在无损检测及传感、高速无线通信等方面收到越来越多的关注。而要更好地将太赫兹波技术应用到这些方面,需要更多成熟的太赫兹调控器件。但绝大多数的天然材料对太赫兹波没有响应,人工超材料和超表面的出现为这一问题的解决提供了新的途径。二氧化钒(VO2)是一种在外界激励作用下可以实现电导率发生2-5个数量级变化的相变材料,它可以在金属态和绝缘态之间发生可逆状态转换,通过将VO2等可调谐的材料引入到超表面的结构中,则可以进一步实现对太赫兹波束的动态调控,并且其插入损耗更小。因此本文利用VO2薄膜设计了动态太赫兹波束调控器件来解决以上问题。首先本论文利用CST电磁仿真软件在电磁编码超表面原理的基础上设计、优化和制备了两种基于VO2编码超表面的动态太赫兹波调控器件。这两种超表面调控器件可以对太赫兹波束进行数量和方向上的动态调控。为了对其调控性能进行表征,使用THz时域光谱系统(THz-TDS)对制备好的两种器件进行反射率/透射率的测试,并搭设了一套波束调控测试系统对其波束调控性能进行测试和表征。本论文设计和制备的动态太赫兹波分束器,在常温下对0.34THz附近的电磁波反射率达到90%以上,由于背面金属薄膜的存在,对入射波进行镜面反射,反射效率高,损耗小。VO2相变为金属态后,将垂直入射的0.34THz的电磁波分为两束能量近似相等,反射角为33°的波束散射出去,从而实现了单波束和双波束反射功能的切换。本论文设计和制备的双向动态太赫兹波束调控器件,在常温下对0.21THz范围内的电磁波的透射率保持在70%以上,VO2相变后,器件功能转变为分束器,能够将垂直入射的0.34THz电磁波分为两束能量近似相等、反射角为在33°附近的波束散射出去,从而实现了对太赫兹波的双向动态调控。两种器件为用于太赫兹通信的波束调控器件的研发提供了新的思路。
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