可調(diào)控微結(jié)構(gòu)太赫茲功能器件的研究.pdf

1、近年來隨著太赫茲(THz，1THz=1012Hz)輻射源和探測(cè)技術(shù)的突破，THz波的優(yōu)越特性顯示出巨大的應(yīng)用前景，而THz技術(shù)的廣泛應(yīng)用離不開THz功能器件的支撐。人工電磁微結(jié)構(gòu)材料的興起為發(fā)展THz功能器件提供了新的機(jī)遇，THz微結(jié)構(gòu)功能器件的研究已成為THz器件的主要發(fā)展趨勢(shì)，并成為THz領(lǐng)域的重要研究前沿之一。
　　本文在總結(jié)國內(nèi)外THz微結(jié)構(gòu)功能器件研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，在理論和實(shí)驗(yàn)上研究了多種基于光子晶體和表面等離子體的新型

2、THz可調(diào)濾波、調(diào)制、隔離和傳感器件。本文對(duì)THz功能器件中涉及到的THz材料性質(zhì)、器件傳輸與調(diào)控的物理機(jī)制、微結(jié)構(gòu)器件設(shè)計(jì)、仿真、加工和實(shí)驗(yàn)測(cè)試等一系列科學(xué)和技術(shù)問題進(jìn)行了研究，其中代表性創(chuàng)新成果總結(jié)如下:
　　1.提出了THz相變光子晶體可調(diào)控器件的概念、理論及制備方法，并進(jìn)行加工和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，首次在實(shí)驗(yàn)上用同一微結(jié)構(gòu)器件獲得了介質(zhì)光子晶體、金屬光子晶體和表面等離子體陣列三種不同機(jī)理的人工電磁微結(jié)構(gòu)，并通過不同的光場(chǎng)調(diào)控方式實(shí)現(xiàn)

3、了它們之間的相互轉(zhuǎn)換和對(duì)THz波的強(qiáng)度調(diào)制，器件振幅調(diào)制深度達(dá)70％。
　　2.設(shè)計(jì)并加工了雙肖特基柵陣表面等離子體THz調(diào)制器，實(shí)驗(yàn)上通過電場(chǎng)調(diào)控實(shí)現(xiàn)了THz波調(diào)制，發(fā)現(xiàn)了器件在正偏壓下的諧振頻率跳變和負(fù)偏壓下的諧振頻率平移兩種不同的調(diào)制行為，在15V電壓下獲得大于15dB的強(qiáng)度調(diào)制;通過數(shù)值模擬研究了不同偏壓對(duì)器件的兩種肖特基勢(shì)壘中載流子分布的空間調(diào)制，以及由此引起的對(duì)應(yīng)光子帶隙的產(chǎn)生和移動(dòng)過程，揭示了一種基于雙光子帶隙系統(tǒng)的

4、THz表面等離子體調(diào)控的新機(jī)制。
　　3.在對(duì)旋磁和旋電材料的THz磁光效應(yīng)研究的基礎(chǔ)上，對(duì)THz磁光微結(jié)構(gòu)器件中磁場(chǎng)調(diào)控和THz單向傳輸機(jī)理進(jìn)行了深入研究。提出了基于THz磁光子晶體的寬帶磁可調(diào)諧濾波器和偏振控制器，并進(jìn)一步提出了磁一硅光子晶體微腔環(huán)形器、周期性金屬一磁光表面等離子體波導(dǎo)隔離器和金屬-磁光表面等離子體透鏡三種可調(diào)控THz非互易器件，隔離度均超過60dB。在理論上明確了材料的THz磁光效應(yīng)和系統(tǒng)的非對(duì)稱性是形成TH

5、z波非互易傳輸?shù)膬蓚€(gè)必要條件，人工磁光微結(jié)構(gòu)所致的磁等離子體模式的磁光分裂效應(yīng)在THz波非互易傳輸和增強(qiáng)上起到了關(guān)鍵作用。
　　4.在實(shí)驗(yàn)和理論上觀測(cè)并成功解釋了THz波垂直入射光子晶體柱陣列結(jié)構(gòu)時(shí)的導(dǎo)模諧振效應(yīng)，揭示了該導(dǎo)模諧振與光子帶隙的對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立了該諧振的有效介質(zhì)理論和諧振模型，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)證實(shí)了導(dǎo)模諧振的對(duì)稱與非對(duì)稱譜線線型間的內(nèi)在關(guān)系與相互轉(zhuǎn)化規(guī)律?；诖诵?yīng)，在實(shí)驗(yàn)上利用THz光子晶體實(shí)現(xiàn)了微量流體的定性檢測(cè)和實(shí)時(shí)定

6、量傳感，定量傳感精度達(dá)10-5ml/mm2量級(jí)。
　　5.系統(tǒng)地研究了不同濃度的有機(jī)載液磁流體在THz波段光學(xué)性質(zhì)和橫向磁光效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)了磁流體在THz波段折射率和吸收與磁納米粒子濃度的關(guān)系和磁致雙折射效應(yīng)。通過THz光子晶體填充磁流體的方式構(gòu)成磁光微結(jié)構(gòu)器件，從實(shí)驗(yàn)和理論上論證了該器件在THz波段的磁致導(dǎo)模諧振分裂和相干誘導(dǎo)透明效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了外磁場(chǎng)對(duì)THz波的主動(dòng)調(diào)控，并利用該器件實(shí)現(xiàn)了THz波對(duì)外磁場(chǎng)的傳感檢測(cè)，調(diào)制深度達(dá)到25d