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亚波长金属结构在太赫兹波段的特性和应用研究

孙琳  
【摘要】:太赫兹波,又称为亚毫米波,是波长处于毫米波和红外之间的电磁波。近些年,随着太赫兹的产生和探测技术的不断发展,太赫兹在成像、通信、生物探测和国防安检等领域的应用备受关注。然而,因为自然界能与太赫兹波有效作用的材料非常有限,太赫兹系统的发展所必需的太赫兹器件非常缺乏,所以研究和制造太赫兹器件(包括主动器件和被动器件)具有非常重要的意义。另一方面,一种以亚波长金属结构为基本单元的人工复合材料——超材料(Metamaterial)吸引了研究者的兴趣。这种复合材料主要通过单元微结构与电磁波的作用来控制材料整体的电磁属性,甚至可以构造出自然界不存在的电磁属性。这种设计的自由度为太赫兹器件的发展提供了广阔的空间。因此,研究亚波长金属结构在太赫兹波段的特性,不仅为设计太赫兹器件提供依据,促进太赫兹技术走向实际应用,也加深对超材料的认识,并为设计其它波段的超材料提供参考。 本文采用有限元方法进行数值仿真,结合有效介质理论、等效传输线理论、频率选择表面和光学理论进行解析计算,探索了亚波长金属割线对(Cut-Wire Pairs)结构在太赫兹的共振机理,利用亚波长金属结构设计了两款高性能的太赫兹偏振器件。主要内容包括: 1.研究了亚波长金属割线对结构在太赫兹的对称共振和非对称共振机理。通过分析金属线宽和线距对透射共振峰的影响,结合解析计算结果分析得出结论:亚波长金属割线对结构在太赫兹的对称共振主要由法布里-珀罗(Fabry-Pérot)干涉引起,非对称共振则是由连续的偶极子共振谱和分立的Fabry-Pérot干涉谱相互干涉形成。 2.设计了高消光比的太赫兹起偏器。在理论上分析了使用亚波长双光栅结构增强起偏器消光比的可能性,然后仿真优化得到了周期为3μm,工作频率在0.3THz~3THz,横磁波透过率大于97%,消光比大于180dB的太赫兹起偏器。 3.设计了消色散的太赫兹λ/4相位延迟器。这款相位延迟器以反射模式工作,器件厚度仅为38μm,在1.8THz~2.8THz的频率范围内实现了90°±2°的相位延迟,是普通相位延迟器工作带宽的十倍以上。经过分析发现,Fabry-Pérot干涉是引起消色散的主要原因。


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