基于超材料的光学射频一体化探测方法研究

【摘要】：迄今为止,探索将光学、射频探测技术加以融合的方法已成为国际上高性能宽谱探测领域的研究热点。实现光学、射频一体化探测的关键是找到这两类电磁波场同时满足的物理架构,从而再现光频段的小型与灵巧特征,以及射频段的远距离与穿透探测能力。人工图案结构的超材料在太赫兹共振感应方面,表现出了将具有光学、射频二元电磁波谱属性的电磁波场,高效耦合到图案化微纳特征尺度光敏结构上的高效感应效能,以及通过特殊微纳金属结构感知入射电磁波场这一物理属性。本文首先采用超材料对太赫兹信号进行感测研究,解决涉及基础理论、基本方法和关键工艺等基础问题,进而扩展到光学、射频电磁信号的一体化探测。论文主要内容为:首先开展了图案化电极超材料的研究。针对超材料结构中包含开环共振单元形态、排列方式和线宽,开孔的数目、尺寸和分布周期,金属电极介电常数、厚度和电导率,砷化镓衬底的电子浓度和介电常数等特征,以及入射电磁波场的边界条件与偏振方向等属性进行建模。采用频域有限元法仿真超材料的太赫兹透射行为,确定各型超材料对太赫兹波的感应特性。基于仿真模型和砷化镓基片尺寸,设计了肖特基型超材料器件的光刻版图。为了解决砷化镓基片薄、脆以及金属图案电极线宽较窄,转角与连线密集而导致较难剥离等问题,在器件制作过程中采用正、负胶联合方式开展工艺制作。采用金丝压焊工艺将制作好的超材料器件及其电极焊接在开孔电路版上,发展了基于复杂图案结构的肖特基型超材料的器件化工艺方法。然后在校验肖特基型超材料电子学性能基础上,采用包含不同开孔、形态等的多种微结构电极图案的超材料进行太赫兹透射实验,开展了功能化超材料器件对单频太赫兹激光的感测研究,分析了超材料器件对太赫兹波的感应效率、全局透射峰、局部透射峰与电极形态特征、界面布局以及器件的电子学配置间的相互关系。围绕基于超材料感应宽频太赫兹波进行了深入研究。采用不同电极图案的超材料对砷化铟晶体产生的宽频太赫兹波进行了测试,分析了透射信号频谱特性,发展了基于偶极子共振特性的图案化肖特基型超材料器件。采用不同电极图案的超材料对砷化镓光电导天线产生的宽频太赫兹波进行了测试,分析了透射信号幅度增强与驱控电压的关系,发展了双模共振(法布里珀罗共振、表面等离子体激元共振)型超材料器件对宽频太赫兹波的感测与器件化方法。进一步开展了功能化超材料对光频红外信号的探测研究。采用近红外激光和黑体光源,分析了不同电极图案的超材料在不同曝光时间、不同距离等参数条件下的透射图像特征,发现超材料器件的顶层电极区无金属处出现了密集分布、强度较大、尺寸极小的亮点/斑分布,发展了超材料对光频红外信号的感测方法。另外,开展了超材料对射频毫米波信号的初步探测研究,获取了不同电极图案的超材料在不同曝光时间下的透射图像。最后提出了基于功能化肖特基型超材料的红外、太赫兹、射频毫米波信号探测架构,发展了光学、射频一体化探测的基础理论、物理架构与制作工艺,为研究工作的深入开展奠定了基础。