基于導(dǎo)模諧振的超高Q太赫茲超材料研究.pdf

1、超材料（Metamaterial）是一類(lèi)由亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)周期性排列的人工復(fù)合材料，由于其特殊的電磁效應(yīng)，因而受到廣泛關(guān)注，這些特殊的電磁特性來(lái)自于超材料豐富的諧振效應(yīng)。關(guān)于諧振峰的評(píng)價(jià)指標(biāo)就是品質(zhì)因子（Q值），但是由于受到輻射損耗和金屬歐姆損耗的影響，諧振峰的Q值很難大幅度提高，傳統(tǒng)的獲得高Q值的方法都是基于超材料表面模式建立的，這些方法雖然能在一定程度上壓制輻射損耗，但是效果卻相當(dāng)有限。由于超材料結(jié)構(gòu)的周期性，可以將其等效為一種類(lèi)光柵結(jié)構(gòu)

2、，電磁波入射時(shí)也會(huì)產(chǎn)生光柵衍射效應(yīng)，此效應(yīng)可將入射電磁波耦合進(jìn)波導(dǎo)，激發(fā)導(dǎo)模諧振。這一類(lèi)諧振是由于波導(dǎo)限制電磁波的傳輸而產(chǎn)生，可以極大地抑制能量向自由空間的輻射，實(shí)現(xiàn)諧振峰的超高Q值，這在光柵領(lǐng)域已經(jīng)有相關(guān)報(bào)道證實(shí)。本文首次利用金屬單閉環(huán)在超材料領(lǐng)域引入導(dǎo)模諧振，并研究了各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)導(dǎo)模諧振的調(diào)控作用，進(jìn)一步在此基礎(chǔ)上提出了兩種分別以金屬雙閉環(huán)和金屬雙開(kāi)口環(huán)為例的調(diào)控超材料導(dǎo)模以獲得高Q的方法：
　?。?）基本結(jié)構(gòu)單元為兩個(gè)金屬閉

3、環(huán)均勻分布于X方向周期為2d、Y方向周期為d的PI薄膜上，此時(shí)超材料相鄰兩個(gè)金屬環(huán)間中心距均為d，實(shí)際周期也為d，類(lèi)似于一個(gè)均勻的二維光柵。有電磁波入射時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生光柵衍射效應(yīng)，并激發(fā)光柵周期為d的導(dǎo)模。當(dāng)將兩個(gè)金屬閉環(huán)進(jìn)行相向或反向平移（這二者是等價(jià)的）時(shí)，就會(huì)造成超材料相鄰兩個(gè)金屬環(huán)間的中心距離不等，引入2d光柵周期并激發(fā)該周期的導(dǎo)模。通過(guò)調(diào)節(jié)平移量可以調(diào)控導(dǎo)模能量在2d光柵周期上的分量（即調(diào)制深度），從而調(diào)節(jié)此導(dǎo)模諧振峰的Q值和幅

4、值。通過(guò)仿真研究，平移量越小，導(dǎo)模諧振峰的Q值越高而幅值越小，仿真中可達(dá)104以上。在此基礎(chǔ)上繼續(xù)討論了波導(dǎo)層厚度對(duì)導(dǎo)模諧振峰的影響，研究發(fā)現(xiàn)波導(dǎo)層材料以選取損耗小厚度薄的為佳。最后，用激光直寫(xiě)化學(xué)鍍銅方法加工了樣品，并用THz-TDS進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果高度吻合。
　?。?）基本結(jié)構(gòu)單元為兩個(gè)金屬開(kāi)口環(huán)均勻分布于X方向周期為2d、Y方向周期為d的PI薄膜上，其中兩個(gè)環(huán)的開(kāi)口位置分別分布在環(huán)的上部和下部。當(dāng)將兩個(gè)金屬環(huán)以

5、各自環(huán)中心為圓心同時(shí)旋轉(zhuǎn)或者將兩個(gè)金屬環(huán)的開(kāi)口位置進(jìn)行相向或反向平移時(shí)，這樣也能引入2d的光柵周期并激發(fā)該周期的導(dǎo)模，與前一種方法的規(guī)律類(lèi)似，旋轉(zhuǎn)角度或平移量越小，導(dǎo)模諧振峰的Q值越高而幅值越小，仿真中同樣獲得了104以上的Q值。另外，還提出了一種調(diào)控基于導(dǎo)模與偶極諧振峰相互作用產(chǎn)生的類(lèi)EIT諧振峰的峰寬調(diào)控方法，并在仿真中給出了調(diào)控的效果。最后，同樣用激光直寫(xiě)化學(xué)鍍銅方法加工了樣品，并用THz-TDS進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果高度