基于人工表面等離子體模式的太赫茲器件研究.pdf

1、近年來(lái)，太赫茲技術(shù)由于其種種優(yōu)良特性在半導(dǎo)體行業(yè)、生物醫(yī)藥衛(wèi)生、國(guó)土安全、食品質(zhì)量控制及環(huán)境檢測(cè)等各領(lǐng)域都受到廣泛應(yīng)用。隨著THz源與探測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展，許多新的應(yīng)用在太赫茲波段有望實(shí)現(xiàn)。表面等離子體光子學(xué)在光波段受到了非常廣泛的研究，其在輻射波導(dǎo)、光學(xué)天線、超分辨率成像、光學(xué)超材料等方面具有巨大的應(yīng)用前景與價(jià)值。然而由于能夠直接支持表面等離子體的金屬材料在太赫茲波段的相對(duì)介電常數(shù)趨向于負(fù)無(wú)窮大，導(dǎo)致光波段中的這些應(yīng)用不能直接延伸到該波

2、段。在光滑金屬表面刻蝕一維槽陣列或二維孔陣列的結(jié)構(gòu)來(lái)支持人工表面波（稱(chēng)之為人工表面等離子體或偽表面等離子體模式）的理論提出已有些年，應(yīng)用到太赫茲波段的成果還相對(duì)較少，尤其是各種器件的設(shè)計(jì)、加工等。論文主要研究工作主要集中在基于人工表面等離子體模式的太赫茲傳感、波導(dǎo)及天線結(jié)構(gòu)等，并分為三個(gè)部分：
　　(1)從理論上設(shè)計(jì)并研究了一種新型太赫茲折射率傳感器。該傳感器是由一維周期性金屬矩形槽與棱鏡組成的Otto型耦合結(jié)構(gòu)，是基于人工表面等

3、離子體共振的原理。利用有限元算法研究其反射譜中共振角隨分析物折射率改變的特性，并獲得傳感靈敏度S為320°/RIU，當(dāng)角度分辨率為1×10-4度時(shí)能夠探測(cè)到的最小折射率為3×10-7RIU。通過(guò)引入傾斜矩形槽進(jìn)一步提高了其傳感靈敏度，最高可達(dá)452°/RIU，并且比文獻(xiàn)中光波段之前所報(bào)道的要高出很多，從而實(shí)現(xiàn)了高效太赫茲折射率傳感。
　　(2)從理論上研究了在V形、矩形、梯形這三種不同形狀槽結(jié)構(gòu)一維陣列中傳播的人工表面等離子體模式

4、的波導(dǎo)特性。研究結(jié)果表明梯形槽陣列要比其他兩種具有更強(qiáng)的約束能力，人工表面等離子體波導(dǎo)的傳輸損耗不僅決定于工作頻率和漸近頻率，而且受到每個(gè)槽中形成的TEM模式的損耗影響。通過(guò)計(jì)算這三種結(jié)構(gòu)在較小的彎曲半徑(～0.5λ)情況下的彎曲損耗，結(jié)果表明盡管直線梯形槽陣列有最大的傳輸損耗，但其通過(guò)90°彎時(shí)的損耗卻是最小的。梯形槽的這些特性和易于加工使得其在亞波長(zhǎng)平面太赫茲光子集成方面更有優(yōu)勢(shì)。
　　(3)利用刻有槽結(jié)構(gòu)的金屬條帶能夠激發(fā)人

5、工表面等離子體模式的原理從理論上首次提出了一種新型太赫茲天線。由于金屬槽型結(jié)構(gòu)兩端的截?cái)啵斯け砻娴入x子體模式在這個(gè)結(jié)構(gòu)上面?zhèn)鬏敳?lái)回反射，在散射譜中得到了尖銳的法布里-玻羅模式，這與光學(xué)中條形納米天線的特性有點(diǎn)類(lèi)似。而且在法布里-玻羅模式對(duì)應(yīng)的頻率處，該天線周?chē)木钟蛱掌濍妶?chǎng)強(qiáng)度得到大幅度增強(qiáng)，達(dá)到入射太赫茲波電場(chǎng)的約7×104倍。這就為太赫茲波段與物質(zhì)的相互作用增強(qiáng)奠定了基礎(chǔ)，并且可以將納米天線在光波段的很多應(yīng)用轉(zhuǎn)移到太赫茲波段來(lái)