太赫兹超材料间相互作用及其应用研究

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在电磁频谱上,桥接光学和微波的太赫兹(Terahertz,THz)波具有很多独特的物理性质,从而使其可用于许多有前景的技术上,例如成像、无损检测以及高速无线通信技术。而为了实现这些技术,需要相关的太赫兹电子元器件来发射、检测、调制和吸收太赫兹波。但太赫兹波与自然存在的物质之间的相互作用较弱,通常需要特殊的材料和结构来克服这个不利因素。而人造超材料(metamaterial)是实现太赫兹波与物质间强相互作用的有效方法之一。超材料-太赫兹波相互作用对阵列中超材料结构之间的耦合特别敏感。但是,在以前对太赫兹超材料的研究中,通常是通过对超材料本身结构及其介电环境的调制来实现太赫兹波与超材料之间不同的相互作用。针对这一问题,本课题通过利用一种类型的超材料基本单元结构(C型宽开谐振环),设计出了具有双频效果的太赫兹超材料阵列。并对其进行了如下研究:(1)表明在不更改单元结构参数的情况下,仅从太赫兹超材料阵列中引入“空位缺陷”,就可以极大地影响太赫兹超材料阵列间的耦合,从而强烈影响其对太赫兹波的响应。(2)采用CST电磁仿真对缺陷型超材料的类电磁感应透明效应的场分布进行了详细的分析。太赫兹超材料阵列的这种“缺陷”所产生的电磁特性对于太赫兹电子组件将会非常有用。(3)同时为了获得较强相互作用的超材料,本文通过CST电磁仿真详细研究了普通型及缺陷型超材料部分参数对太赫兹谐振的影响。对于普通型超材料而言,C型宽开谐振环之间不同的放置方向,会导致吸收峰的红移或蓝移。对于缺陷型超材料而言,y方向上的C型环间距离b增大,会导致低频谐振发生明显的蓝移,同时吸收峰强度减弱,而高频谐振无明显变化;另外C型谐振环双臂尺寸c增大,会导致双峰同时红移;以及C型谐振环双臂宽度ω增大,会使得双峰同时红移并且吸收峰强度增强;谐振环底部宽度ω0增大,会使得双峰蓝移并且吸收峰强度增强。并进一步,使用场分布结合偶极子理论及电路模型对所产生的红蓝移现象进行了分析。(4)最后,本论文通过对比缺陷型超材料与普通型超材料间不同的相互作用,提出将这种具有“空位缺陷”的超材料与二氧化钒相结合制备出太赫兹调制器,实现了利用温控对太赫兹波进行主动调制;并进一步地,将缺陷型超材料与硅半导体材料相结合制备出太赫兹调制器,实现了利用光控的方式对太赫兹波进行主动且高速的调制。相关的研究结果在未来的太赫兹通讯领域具有一定的应用潜力。
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