平面超材料太赫兹波非对称开口环谐振器研究

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超材料是由亚波长单元结构周期性排列组成的人工电磁材料,由于能够实现很多自然界材料所不具有的电磁特性,因此被广泛应用于各种功能器件,如传感器、超级透镜、隐身衣等。开口环谐振器(SRR)由于具有电磁场局部增强和高品质因数等特点,被广泛作为各种功能器件的组成元件来应用。超材料共振单元通过打破金属微结构的对称性,以产生对称参数下所不具有的谐振模式和透明谐振现象,如Fano谐振、电磁诱导透明及等离子体共振杂化。非对称SRR可以产生窄线宽谐振并具有高品质因素,可以用于陷波滤波器、高选择性的窄带太赫兹辐射器以及高灵敏度的太赫兹生物、化学传感器等。本文研究了平面超材料太赫兹器件的制备工艺、多种非对称开口环谐振器及其透明谐振效应。主要研究工作包括:(1)提出了一种以405nm半导体激光器为曝光源采用激光诱导和化学镀工艺制备超材料太赫兹器件的方法,该方法与其它采用紫外激光器制备工艺相比可大幅度节约水电资源消耗,降低加工成本。利用该方法加工的金属结构最小线宽约为5μm,通过太赫兹器件样品的制备与性能测试,证明了该方法的有效性。(2)设计并制备了具有类电磁诱导透明(EIT)效应的太赫兹谐振器,其结构由两个非对称排列的“明”开口环谐振器组成,利用时域有限差分法对谐振器的产生机理及其传感性能进行了仿真和分析。仿真结果表明该谐振器灵敏度达75.11GHz/RIU,FOM值为4.42,可以应用于折射率传感器。经TDS系统透射性能测试,该谐振器在0.52THz附近有一个尖锐透明峰,其谐振强度和Q值由两个非对称SRR单元的相对距离决定,实验结果与仿真基本相符。(3)通过仿真研究了由SRR和金属线组成的太赫兹谐振器中的类EIT现象,SRR对应的暗模式是由金属线组成的明谐振器激发的。由于金属线的空间分布方向不同,SRR中的诱导表面电流方向对极化敏感。通过调节入射波的偏振,可以实现等离子体EIT开关的功能。(4)设计并制备了一种应用在太赫兹波段的类EIT超材料谐振器,其单元结构由“明”、“暗”开口环谐振器原子组成。两个“明”、“暗”原子之间的耦合强度可以通过将两原子相连产生导电耦合来提高。经仿真计算得到,谐振Q值最大为90,对应折射率灵敏度为61.7GHz/RIU,FOM值为10.74。实验制备了相连SRR结构的太赫兹谐振器,并且运用太赫兹时域光谱系统对样品的透射特性进行了测试。
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