亚波长结构中的太赫兹波共振及其在成像中的应用

【摘要】：近年来,随着太赫兹技术的发展,人们开始将亚波长结构的研究从可见光和微波频段向太赫兹扩展。通过大量研究,人们发现太赫兹波在金属亚波长孔阵中能激发起一种伪表面等离子体(spoof surface plasmons:SSPs),这种束缚模式会导致许多共振现象的产生。然而,人们对太赫兹波与亚波长结构作用的许多重要物理过程还不明确,例如：太赫兹波在亚波长结构之间如何发生散射耦合,复杂亚波长结构中会产生怎样的电磁共振等。为了解决这些问题,并发展出与之相应的新型太赫兹应用,本论文使用实验和理论方法,对太赫兹波在亚波长结构中的散射和共振进行了系统而深入的研究。本论文的主要内容如下： (1)理论研究了太赫兹波在一维亚波长金属凹槽上的散射和共振特性。本论文通过考虑太赫兹波在凹槽中的二次散射,发展出了一种扩展的波导模式法(extended waveguide mode:EWGM)。通过这个方法,我们研究了连续太赫兹波和脉冲太赫兹波在双凹槽结构中的散射特性及散射场间的耦合共振。这里的研究方法和理论结果将有可能用于新型光栅、耦合器的分析和设计,实现对太赫兹波频域和时域特性的控制。 (2)使用理论和实验方法对太赫兹波在金属二维复合孔阵中激发的SSPs进行了研究。本论文提出了一种大孔阵列和小孔阵列复合形成的结构,探讨了其中SSPs与外场的耦合过程,并给出了太赫兹波通过该结构的反常透射峰波长,发现复合结构中小孔阵列的存在将导致透射峰红移。在此基础上,我们通过微波实验对复合圆孔阵列的透射峰红移现象进行了验证。这项研究成果将有可能用于设计透射幅值无损的可调谐滤波器。 (3)使用理论和实验方法研究太赫兹波在介质-金属亚波长结构阵列中激发的混合伪表面等离子体(hybrid spoof surface plasmons:HSSPs)。通过太赫兹时域光谱技术,我们从实验上证明了太赫兹频段也能存在HSSP模式,并且发现了低频段HSSPs的共振频率会随着金属亚波长结构填充率的增大而发生红移。在理论上,本论文使用等效偶极子方法建立了解析的HSSP共振模型,并以此对实验现象进行了解释。基于这些结论,我们可以利用HSSPs的特性设计出能对太赫兹波进行频域和空域控制的器件,比如可调谐吸收器和滤波器等。 (4)从应用的角度出发,探讨了亚波长金属结构阵列对太赫兹波成像质量的提升作用。本论文提出了一种基于介质-金属亚波长结构阵列的反射器件,并通过实验证明了该器件能提高其共振频率处太赫兹波平面成像的分辨率和对比度。我们对实验结果进行的理论分析表明：太赫兹波在上述亚波长结构中激发起了HSSPs,这种束缚模式与外场的耦合能补偿图像细节信息,从而提升成像质量。该成果为提升太赫兹波成像质量提供了一种原理新颖、操作简单、成本低廉的方法。