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《北京交通大学》 2018年
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太赫兹高折射率超材料及吸收体传感特性的研究

谭思宇  
【摘要】:随着信息时代人类对无线电频谱资源的需求的急剧膨胀,频谱资源作为一种国家战略资源面临着日益激烈的竞争。而在整个电磁频谱上,对频率介于0.1 THz~10 THz之间的太赫兹波段开发与利用引起了人们浓厚的兴趣。广泛的研究表明太赫兹技术在频谱学、宽带通信、医学成像、环境监测、安全扫描与国防军事等诸多领域均有极大的应用潜力。由于能对太赫兹波产生足够响应的天然材料昂贵且稀少,太赫兹技术的发展受到了极大的限制。因此利用工作于太赫兹频段内的超材料取代天然材料来制作太赫兹器件引起了国内外科研工作者的极大研究兴趣。将太赫兹技术发展的需求与超材料介质参数灵活性相结合可以极大地促进太赫兹技术的实用化进程,具有极高的研究价值和发展潜力。介电常数和磁导率是表征物质电磁特性最基础的参数,超材料利用其合理设计的人工复合结构,通过改变单元结构的几何尺寸可以实现对于介电常数、磁导率及折射率的按需“订制”,极大地提高了太赫兹波段电磁控制器件的设计灵活度。本文在理论分析超材料的电磁谐振特性的基础上,针对其电磁响应对超材料等效折射率、吸收特性的影响展开了一系列理论、仿真及实验研究,获得的主要创新性成果如下:(1).提出了一种基于单元间强耦合的Z字形太赫兹波段高折射率超材料。通过减小谐振单元间间距有效地增强了单元间的耦合作用从而激发强烈电偶极子谐振,并通过结构优化抑制其逆磁响应,在0.315 THz实现了 14.36的高折射率;实验结果与数值模拟结果高度吻合。同时,通过实验表征具有不同单元间距的Z字形结构以及等效电路模型系统地分析了所设计结构的等效折射率及谐振特性。(2).提出了一种基于双层错位Fishnet结构的宽带超材料吸收体。不同于传统超材料吸收体的三层结构,该宽带吸收超材料的谐振结构被替换为双层错位Fishnet谐振结构,分别在三个相互临近的频率处产生近完美吸收峰;最终通过吸收峰之间的互相融合,在2.3 THz附近实现了半高宽达到0.99 THz的宽带吸收。进一步的验证表明所提出的宽带吸收体在TM偏振入射下具有良好的入射角不敏感性。(3).提出了一种基于非对称十字形金属槽的宽带超材料吸收体。通过在十字形结构中引入对称破缺特性,原有的对称结构被分立为两个独立的谐振器,因此同时产生多个吸收峰。通过实验测量验证了所激发的吸收峰的频率间隔随结构非对称程度的变化关系。在此基础上,将四组具有不同非对称因子及几何尺寸的谐振单元组成超分子,通过对子谐振单元所激发的多个非对称吸收峰进行融合,在1.2 THz附近实现了具有0.526 THz半高宽的宽带太赫兹吸收。(4).提出了一种基于复合结构的太赫兹超材料吸收体的多频段传感器。将光刻胶作为待测有机物涂敷在吸收体表面并通过数值模拟和实验测量研究了待测有机物的厚度和折射率对吸收体谐振频率的影响。利用等效电路模型分析阐释了超材料吸收体谐振频率的漂移源自于外加有机物改变了谐振结构的等效电容。在此基础上,利用双开口谐振环与金属微带线组成的超材料吸收体设计了一个多频段传感器,通过实验测量和数值模拟研究了所提出的多频段传感器各个谐振频率的折射率灵敏度特性,得到的最高折射率灵敏度为26.2%RIU-1。(5).提出了一种基于三维立体太赫兹超材料吸收体的高灵敏度传感器设计。利用垂直于基底表面的立体开口谐振环与金属镜面层设计了三维高灵敏度吸收体传感器。由于其高品质因数的谐振特性,所设计的三维吸收体传感器对待测有机物的厚度及折射率均显示出极高的感测灵敏度,其折射率灵敏度最高可达34.40%RIU-1。通过将所设计的吸收体传感器的传感性能与具有相同结构的超材料传感器进行比较,其在谐振品质因数以及灵敏度两方面均具有明显优势。
【学位授予单位】:北京交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TB34;TP212

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