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超导超构材料及亚波长小孔阵列的太赫兹光谱研究

吴敬波  
【摘要】:太赫兹超构材料和等离激元光子学为太赫兹波的调控和新型太赫兹器件开辟了新的道路。超导材料在太赫兹频段具有极低的损耗和良好的调谐特性,非常适合制作太赫兹功能器件。本论文系统研究了超导超构材料和超导亚波长小孔阵列的太赫兹光谱,主要内容包括: 第一,研究了谐振频率在能隙频率以下和以上的超导NbN太赫兹超构材料的频率调谐性能和损耗特性。当谐振频率在能隙频率附近时,NbN超构材料具有最大的频率调谐范围。NbN超构材料在能隙频率以下具有极低的欧姆损耗,无载品质因数要大大优于同样结构的金属超构材料。采用BCS理论和等效电路模型对超构材料的透射系数进行了计算分析。 第二,研究了具有电磁感应透明响应的超导超构材料。利用超导材料的低损耗特性和谐振器间的强耦合作用,我们获得了极高的群迟延-带宽积,且透明窗口的透射系数和群迟延是可以通过温度调谐的。通过引入两个暗谐振器与明谐振器耦合,我们用平面超导超构材料实现了四能级原子系统电磁感应透明现象的模拟。对比了超导和金属-超导复合结构超构材料的频谱响应,讨论了谐振器品质因数对超导超构材料慢光效果的影响。 第三,研究了超导NbN亚波长小孔阵列的异常透射现象。发现了透射峰在超导态会显著增强以及频率的温度调谐特性,并用Fano模型和等效电路对其进行了解释。利用太赫兹脉冲时域波形研究了异常透射的动态过程,并采用严格耦合波分析方法对超导异常透射谱进行了模拟计算。研究了高温超导小孔阵列的异常透射现象,并分析了约瑟夫森等离子体振荡引起的透射峰。


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