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太赫兹在亚长金结构中的传输特性及其应用研究

袁英豪  
【摘要】:太赫兹波技术在传感检测和高速率无线通信领域有着重要的应用价值,但目前太赫兹波段与波束控制相关的功能器件非常匮乏,这严重制约了太赫兹波应用技术的发展.本论文在研究了亚波长金属结构在太赫兹波段的表面等离子体激元(surface plasmon polariton, SPP)和伪表面等离子体(spoof surface plasmon, SSP)效应的基础上,探索了亚波长金属结构在太赫兹波束控制中的应用,提出了一系列的设计方案,具体的研究内容如下: (1)分析了亚波长金属结构在太赫兹波段的透过特性并设计了一种基于双层金属光栅填充液晶结构的电控太赫兹波开关器件.其开关机制是利用外部偏置电压控制液晶材料的折射率,来实现太赫兹波谐振峰位置的移动.该方案的创新之处在于:结构中的亚波长金属结构不仅仅作为支持高透射率的光栅来使用,同时还用作金属电极.该设计方案可以解决以往液晶太赫兹波开关器件中由于采用氧化铟锡电极所带来的高插入损耗问题.此外,我们还提出了一种基于多层金属光栅填充液晶结构的宽带太赫兹波开关设计方案,其开关状态是通过外部电场控制改变液晶的吸收系数来实现的.文中采用严格耦合波方法分析了器件的结构设计参数与太赫兹开关性能之间的关系. (2)从理论上分析了亚波长金属表面光栅结构支持的SSP的色散关系并提出了一种填充硅介质的金属表面光栅结构来实现动态局域太赫兹波的技术方案.利用有限元模拟证明了当光泵浦使金属凹槽中的硅折射率产生梯度线性变化分布时,该结构可以将不同频率的太赫兹波局域到不同的空间位置;通过控制改变凹槽中硅折射率的分布函数,可以控制某一频率的太赫兹波局域位置沿水平方向在亚波长尺度控制移动. (3)提出了一种亚波长金属狭缝-凹槽结构来控制太赫兹波透过亚波长金属狭缝的传播特性.该设计创新之处在于结构中含有两种不同深度的金属亚波长凹槽阵列.其中浅凹槽用来支持太赫兹表面波的传播,而深凹槽作为衍射光栅,将太赫兹表面波重新衍射到自由空间.理论分析和数值模拟结果表明:通过控制结构中深凹槽阵列的分布,可以实现多种波束控制效果,包括:分束,垂直准直和离轴准直效果. (4)采用太赫兹时域光谱系统(THz-TDS)实验测量了环氧玻璃衬底的亚波长金属狭缝光栅样品的透射谱,详细的分析了透射谱各种类型的透射峰和吸收峰的形成机制和特点.分析结果表明:透射谱中窄透射峰的形成依赖于SPP和导模的相互耦合作用.此外,由于太赫兹波在衬底中的多重反射作用也可以形成Fabry-Perot (FP)类型的宽透射峰.如果满足FP谐振的同时激发了SPP,则会出现FP谐振峰的红移现象.透射谱中吸收峰的出现则是由于在金属光栅上表面或者下表面激发形成了纯粹的SPP模式,或者在衬底中形成了纯粹的导模现象.


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