基于二氧化钒可重构超材料的太赫兹偏振控制器件

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偏振是太赫兹波的重要特性,在许多领域都需要调控太赫兹波的偏振态。超材料为太赫兹波偏振控制器件的开发提供了新材料和新思路,尤其是与相变材料复合的可主动调控超材料,能够实现更广泛的功能和更重要的应用。二氧化钒作为性能优异的相变材料,能够与金属结合实现对太赫兹波偏振态的调控。本文重点研究基于二氧化钒可重构超材料的太赫兹波偏振控制器件,主要内容如下:1.研究了偏振光学的物理理论和数学公式,描述了电磁波的3种典型偏振态;分析了常用的3种超材料理论,并将这些理论成功用于太赫兹波偏振器件的设计。2.设计了一种基于二氧化钒-金属单层结构的太赫兹波偏振主动控制器,并用微加工工艺制作出了样片。实验结果表明器件可以实现两个功能:一是对y极化的入射太赫兹波,在频率为0.72 THz时实现移相器的功能;二是可以充当一个可开关的四分之一波片。无外加电流时,在0.69 THz处透射电场振幅分量在x和y极化方向上均为0.45,二者相位差为80°,此时的透射波近乎为圆偏振波。当外加电流为0.46 A时,在0.69 THz处透射电场振幅分量tx为0.45,ty为0.42,两者位相差为7.8°,此时透射波几乎为线偏振波。通过分析器件的表面电流,建立了等效电路模型,对偏振调控机理进行了深入研究。3.设计了两种基于二氧化钒-金属多层结构的太赫兹波偏振主动控制器。(1)设计了基于开口谐振环结构的太赫兹波正交偏振转换控制器。该器件可以在0.5-2.5 THz频率范围内将线偏振波的偏振方向旋转90°,Txy的透射率达到65%以上,在1.55 THz达到最高92%,偏振转换效率接近100%。通过控制二氧化钒的相变,可以将Txy的透射率从92%调制到2.5%,调制深度达到97%。研究了结构的透射率对入射角的依赖性;探究了参数对器件功能的影响;利用多层结构的干涉理论对器件高效偏振转换调控的原因进行了深入研究。(2)设计了基于L形结构的太赫兹波正交偏振转换调制器。该器件在0.7-2.5 THz内,器件的偏振转换效果都较好,Txy透射率在1.85 THz达到了50%。通过控制氧化钒的相变,可以将Txy的透射率从1%升高到50%,调制深度达到98.5%。本文设计的三种太赫兹偏振主动控制器件对有效操控太赫兹波的偏振态具有十分重要的意义,本文的研究方法对新型太赫兹波偏振态动态控制器件研发具有重要的参考价值。
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