基于超材料的太赫兹增透膜特性研究

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太赫兹波具有宽带性、穿透性、高速率等优点,在安全检查、通信技术等方面有着广阔的应用前景。太赫兹波段的功能器件常以硅为基础,但是由于硅与空气折射率不匹配,使得在空气和硅交界面的反射率达到30%,并且其在传输光谱中引入了法布里-珀罗干涉条纹。因此就需要在空气与硅之间加入性能良好的增透膜以增加透射,降低反射。本文结合超材料设计灵活性高,有效控制太赫兹波振幅和相位等特性,对两种太赫兹超材料增透膜的特性进行了数值研究。  开口谐振环(Split Ring Resonator,SRR)是超材料中的常见结构,通过对开口环原理的研究,本文提出了两种宽带太赫兹超材料增透膜设计:  (1)设计了一种基于站立SRR结构的太赫兹超材料增透膜,利用双开口环站立结构实现了太赫兹某些波段对反射的抑制,可以使得增透膜的反射率最低降至0.001,反射率在0.1以下的带宽可达0.45THz。通过多次反射干涉原理及反演等效参数原理分析了超材料增透膜的工作机理,再此基础上用量化分析的方法研究了两个开口环之间的距离、聚合物基底的厚度以及开口环臂长对该超材料增透膜的性能的影响,得出了最优结构参数。另外将其与单开口环立式结构和前人所研究的超材料增透膜在性能上分别进行了对比,仿真及分析结果表明,所设计的超材料增透膜具有优异的宽带反射抑制作用和较大的制作参数容差特性。  (2)提出了一种基于平面开口环结构的太赫兹增透膜,同样通过CST软件建模及仿真计算验证了钱币型开口环作为增透膜可以将反射率降低至0.0001甚至更低,反射抑制带宽可达0.49THz,并且具有偏振不敏感性,反演参数算法求得所设计增透膜在反射低谷处满足反射抑制条件并且可以将增透膜假设为均质四分之一波长增透膜。进一步经过参数扫描仿真对金属结构尺寸及聚合物厚度进行分析,发现通过调整结构参数可以使带宽进一步优化,而且所设计增透膜表现出一定的容差特性。利用对比分析的方法将所设计增透膜的仿真结果与前人的研究成果进行对比,充分证明了所设计钱币型结构具有的优点和特性。  通过反射率最小值、带宽、容差能力、偏振敏感性等多个性能指标对比发现,以上两种增透膜结构有各自的优势和特点。站立超材料增透膜可适用于1.35~1.80THz波段,能保持平坦的反射抑制区间,可作为多波段、容差能力强的太赫兹增透膜。而钱币型开口环结构适用于0.82~1.31THz频率范围,可作为反射抑制极低,带宽在0.5THz左右,对偏振不敏感的太赫兹增透膜。
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