中红外复合左右手超表面特性的研究

发布时间：2018-11-20 11:49

【摘要】：人工周期性超材料开启了光子学领域近十几年来的新篇章,吸引了国内外科学家的广泛关注。超材料是由人为所设计的尺寸小于波长的周期性或非周期性结构单元所组成,可以展现出特殊的自然材料并不具备的电磁特性。其中介电常数和磁导率均为负的左手超材料引起了科学界极大的兴趣。随着对左手材料越来越深入的了解,科学家提出了能够实现左手效应的复合左右手传输线超材料的概念,然后进行了大量的实验研究。由于其具有损耗低、较宽的宽带以及非线性的相位常数等优点,一系列基于复合左右手传输线理论的新型射频器件以及微波天线相继被提出。本文率先将微波段的复合左右手传输线的概念在对于光电器件领域具有十分重要地位的中红外波段里实现,为中红外波段研发一种新型的超表面结构,并且为新型红外器件的研制奠定基础。本文主要的研究成果如下:首先,基于HFSS电磁仿真,设计并提出一种新型复合左右手超表面结构。该超表面结构由铜基底、二氧化硅和U型天线阵列三层结构组成。本征模式和反射光谱的仿真结果表明该超表面结构同时具有左手和右手超表面模式。其次,根据设计的结构,成功制备出复合左右手超表面样品,主要的技术手段包括用电子束蒸发在硅片上制备铜膜以及通过电子束光刻使“U”型金天线阵列的图形化。制备过程中克服了二氧化硅薄膜易从金衬底上脱落及小尺寸天线加工等技术问题。最后,基于傅里叶变换红外光谱(FTIR)的测试结果表明所研制的超表面具有复合左右手效应。我们自主搭建了角度可变的傅里叶变换红外光谱测试系统,反射光谱的测试表明所研制的超表面在19-21THz范围内有左手模式,在45-50THz范围内有右手模式,验证了中红外复合左右手效应。此外,论文深入分析了超表面模式的损耗机制,结果表明左手模式主要的损耗来源于二氧化硅和金属的材料损耗,而右手模式主要的损耗来源于漏波辐射。为了解释实验观测的复合左右手效应,论文建立了传输线电路模型,给出了相应的电容电感数值,很好地解释了复合左右手效应的机理。
[Abstract]:Artificial periodic metamaterials have opened a new chapter in the field of photonics in recent years and attracted wide attention of scientists at home and abroad. Metamaterials are composed of periodic or aperiodic structural units designed to be smaller than wavelength, which can exhibit electromagnetic properties that special natural materials do not possess. The left-handed metamaterials with negative permittivity and permeability have attracted great interest from the scientific community. With the further understanding of left-handed materials, scientists have proposed the concept of composite left-handed transmission line supermaterials which can realize left-handed effect, and then carried out a large number of experimental studies. Because of its advantages of low loss, wide bandwidth and nonlinear phase constant, a series of novel RF devices and microwave antennas based on the theory of compound left-hand transmission line have been proposed one after another. In this paper, the concept of composite left-hand transmission line of microwave segment is first realized in the mid-infrared band, which plays an important role in the field of optoelectronic devices, and a new super-surface structure is developed for the mid-infrared band. It also lays a foundation for the development of new infrared devices. The main results of this paper are as follows: firstly, based on HFSS electromagnetic simulation, a novel supersurface structure of left and right hand is designed and proposed. The supersurface structure consists of copper substrate, silica and U-antenna array. The simulation results of intrinsic mode and reflection spectrum show that the supersurface structure has both left-handed and right-hand supersurface modes. Secondly, according to the designed structure, the composite supersurface samples of left and right hand have been successfully prepared. The main technical means include the preparation of copper film on silicon by electron beam evaporation, and the patterning of "U" type gold antenna array by electron beam lithography. The fabrication process overcomes the technical problems of silicon dioxide thin film falling off the gold substrate and small size antenna processing. Finally, the test results based on Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) show that the developed supersurface has a compound left-right hand effect. We have built a Fourier transform infrared spectrum testing system with variable angle. The reflection spectrum test shows that the developed supersurface has left-handed mode in 19-21THz range and right-hand mode in 45-50THz range. The middle infrared composite left and right hand effect is verified. In addition, the loss mechanism of the supersurface mode is analyzed in depth. The results show that the loss of the left-handed mode is mainly from the material loss of silicon dioxide and metal, while the loss of the right-hand mode is mainly from the leakage radiation. In order to explain the compound left-right hand effect observed in the experiment, the transmission line circuit model is established, the corresponding capacitance inductance is given, and the mechanism of the compound left-right hand effect is well explained.
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB33

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本文编号：2344831