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，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)功能器件研究進展的基礎(chǔ)上，在理論和實驗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)控的物理機制、微結(jié)構(gòu)器件設(shè)計、仿真、加工和實驗測試等一系列科學(xué)和技術(shù)問題進行了研究，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，并進行加工和實驗測試，首次在實驗上用同一微結(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理的人工電磁微結(jié)構(gòu)，并通過不同的光場調(diào)控方式實現(xiàn)

3、了它們之間的相互轉(zhuǎn)換和對THz波的強度調(diào)制，器件振幅調(diào)制深度達70％。
　　2.設(shè)計并加工了雙肖特基柵陣表面等離子體THz調(diào)制器，實驗上通過電場調(diào)控實現(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的強度調(diào)制;通過數(shù)值模擬研究了不同偏壓對器件的兩種肖特基勢壘中載流子分布的空間調(diào)制，以及由此引起的對應(yīng)光子帶隙的產(chǎn)生和移動過程，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)控的新機制。
　　3.在對旋磁和旋電材料的THz磁光效應(yīng)研究的基礎(chǔ)上，對THz磁光微結(jié)構(gòu)器件中磁場調(diào)控和THz單向傳輸機理進行了深入研究。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)的非對稱性是形成TH

5、z波非互易傳輸?shù)膬蓚€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上起到了關(guān)鍵作用。
　　4.在實驗和理論上觀測并成功解釋了THz波垂直入射光子晶體柱陣列結(jié)構(gòu)時的導(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)合實驗證實了導(dǎo)模諧振的對稱與非對稱譜線線型間的內(nèi)在關(guān)系與相互轉(zhuǎn)化規(guī)律。基于此效應(yīng)，在實驗上利用THz光子晶體實現(xiàn)了微量流體的定性檢測和實時定

6、量傳感，定量傳感精度達10-5ml/mm2量級。
　　5.系統(tǒng)地研究了不同濃度的有機載液磁流體在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，從實驗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)，實現(xiàn)了外磁場對THz波的主動調(diào)控，并利用該器件實現(xiàn)了THz波對外磁場的傳感檢測，調(diào)制深度達到25d