基于表面等离子体共振的太赫兹功能器件研究

发布时间：2020-10-21 00:28

　　 随着太赫兹技术的飞速发展,太赫兹波的许多优异特性被发现并在多个领域展现出了巨大的应用价值。然而相对于太赫兹源与探测技术的快速发展,太赫兹频段功能器件相关技术的发展比较缓慢,制约了太赫兹技术的广泛应用。因此,对太赫兹频段功能器件的研究具有重要意义。表面等离子体共振(SPR)具有独特的性质,包括增强透射效应与近场增强效应。利用增强透射效应可以使特定频率的太赫兹波以极高的透射率通过周期性亚波长阵列结构;利用近场增强效应则可以提高太赫兹波与物质的相互作用,从而提升器件的性能。利用SPR的这两个效应,可以促进太赫兹频段功能器件的研究与发展。本文基于金属SPR与石墨烯SPR开展了太赫兹频段功能器件的研究,主要研究内容及创新点包括:(1)设计了一种基于周期性圆形环孔金属-介质-金属(MDM)结构的太赫兹双窄带带通滤波器。详细研究了传播性表面等离子体共振(PSPR)与局域性表面等离子体共振(LSPR)在该结构两个窄通带透射峰中所发挥的作用及结构参数对两个窄通带透射峰透射特性的影响等。基于理论与仿真分析结果,设计并加工了实验样品,实验测得在中心频率为0.293 THz和0.323 THz的两个窄通带的Q值分别可达20.9和40.4,高于相关论文中报道的结果。(2)提出了基于Si-MDM结构的太赫兹调制方案。通过将圆形环孔MDM结构与硅片相结合,利用圆形环孔MDM结构中激发的SPR的近场增强效应提高了太赫兹波与硅片的相互作用,从而提升了基于硅片光电导效应的太赫兹调制方案的调制性能。仿真结果显示,Si-MDM结构在频率为0.302 THz和0.324 THz的调制深度分别可达60%与97%,远高于单硅片17%的调制深度。实验测得Si-MDM结构在频率为0.306 THz的调制深度为63%,而单硅片的调制深度仅为49%,验证了 Si-MDM结构用于太赫兹调制的可行性。(3)利用LSPR与PSPR的不同性质,设计了一种基于矩形环孔MDM结构的太赫兹偏振滤波器。基于大量仿真结果,分析了各参数对该结构偏振滤波特性的影响。结合现有的实验测试条件,设计并加工了实验样品,实验测得在频率为0.347THz的消光比可达16.4 dB。不同于以往的线栅结构,该结构同时具有选偏振特性和选频率特性,对太赫兹技术的发展具有重要意义。(4)提出了自偏置带孔石墨烯结构,并研究了基于该结构的太赫兹功能器件。理论及仿真分析了自偏置带孔石墨烯结构在太赫兹频段的透射特性及石墨烯材料参数、结构参数等对该结构透射特性的影响。对基于该结构的太赫兹功能器件进行了仿真研究,包括:太赫兹窄带带阻滤波器(Q值可达58.6)、太赫兹调制器(调制深度可达98.04%)、折射率传感器(灵敏度大于1.5THz/RIU)以及偏振滤波器(消光比可达16.6dB)。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN713.5;O441.4;TB34
【部分图文】：

浙江大学博士学位论文?第１章绪论??可以用来有效地鉴别地沟油，如图１．２（ｅ）所示。??（ａ）?（ｂ）?ｆｒｅｓｈｌｙ?ｃｕｔ?ｌｅａｆ?ａｆｔｅｒ?４８?ｈｏｕｒｓ??Ｑ?＿ｌ???１?（ｄ＞??Ｏｕｔｅｒ?ｅｌｅｃｔｒｏｎ?ｐｏｔｅｎｗｉ?＾??１０１??＾?Ｃ＊ｒｔ？ｏ－ｃ？？ｔ）〇ｎ?ｗｇｌｅ?ｂｏｎｄ?＜＾４＾：?＾??ｉ?ＴｏｃＭ?￡?＇一＾ＴＴ叫丨川１…，＾?＾??ｉ?麵??Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ?（Ｈｚ）??（ｅ）??３?０［?＋?＊样品《?—＞＿地沟油￣?空样Ｗｆｆｌ?＋地沟油??ｉ?．．？？？大ｎ油＋ｊ？炸大ａ油?〇８?－－？？？大ｉｉ油?＋煎炸大ａ油??２．５?＼?－ｆ－菜Ｉｆ油?＿？－Ｊ？炸菜Ｗ油?－ｆ?＊Ｗ油一？一煎炸《籽油??，＼?谓和油?＋煦炸》｜和油?调和油?＋煎炸调和油??ａ?ｂ??ｑ?■?會?－?＊?？?１?■?＊?■?Ｉ?－０?２?ｉ．ｉ．ｉ．ｉ．ｉ．ｉ．??０．４?０．６?０．８?１．０?１．２?１．４?１．６?０．４?０．６?０．８?１．０?１．２?１．４?１．６??敎串／ＴＨｚ?頻午／ＴＨｊ！??图１．２太赫兹波的特性及其应用。（ａ）太赫兹成像用于安全检查［１°］；（ｂ）不同含水量树叶的太赫兹成像??对比［１（）】；（ｃ）电磁波波长和光子能量与物体尺寸和化学键能量的比较［８］。图中黄色阴影区域为太赫兹??频段；（ｄ）大容量太赫兹无线通信系统示意图［ｌｌ］；（ｅ）使用太赫兹光谱技术得到的不同油样品的参数对??比［１２］??随着太赫兹波的优异特性被逐步挖掘，越来越多的商业机构和科研机构将目光投向??了这一频段

方式；（３）光子学太赫兹技术，该技术是将光子学的方法向低频方向延伸，特点是产生??的太赫兹波相干性较好，但功率较小，适合于产生ＩＴＨｚ以上的太赫兹波。根据不同的??实现方式，这三种技术路线又各自包含了许多不同的方法，图１．４对各种太赫兹源根据??４??

—Ｉ??连续窄带太赫兹波?ｙ?脉冲宽带太赫兹波??图１．４太赫兹源的分类??太赫兹探测技术??￣１?：???相于探测ｉ?；?（?与与相干探测??★?★?★?１?★?＋?，?＾ｊ???太??热?赫??光由电?短?ｆ?兹??电?￥?子?肖特基二极?
【参考文献】

相关期刊论文 前6条

1 田其立;尉鹏飞;金丽芬;王振国;王艳伟;杨光参;;基于太赫兹时域光谱技术的地沟油检测与识别[J];山东科学;2015年03期

2 杨洋;王力;耿小丕;;返波管振荡器与热释电探测器在太赫兹领域中的应用[J];中国仪器仪表;2014年05期

3 宋淑芳;;太赫兹波探测技术的研究进展[J];激光与红外;2012年12期

4 王振林;;表面等离激元研究新进展[J];物理学进展;2009年03期

5 牧凯军;张振伟;张存林;;太赫兹科学与技术[J];中国电子科学研究院学报;2009年03期

6 胡永生;陈钱;;太赫兹技术及其应用研究的进展[J];红外;2006年01期

相关硕士学位论文 前1条

1 赵银龙;基于双层石墨烯结构的波导型太赫兹调制器设计[D];浙江大学;2017年

本文编号：2849366