基于人工表面等离子体模式的太赫兹器件研究

发布时间：2017-09-23 08:03

  本文关键词：基于人工表面等离子体模式的太赫兹器件研究

  更多相关文章： 太赫兹波 人工表面等离子体 折射率传感 平面波导 天线

【摘要】：近年来,太赫兹技术由于其种种优良特性在半导体行业、生物医药卫生、国土安全、食品质量控制及环境检测等各领域都受到广泛应用。随着THz源与探测技术的快速发展,许多新的应用在太赫兹波段有望实现。表面等离子体光子学在光波段受到了非常广泛的研究,其在辐射波导、光学天线、超分辨率成像、光学超材料等方面具有巨大的应用前景与价值。然而由于能够直接支持表面等离子体的金属材料在太赫兹波段的相对介电常数趋向于负无穷大,导致光波段中的这些应用不能直接延伸到该波段。在光滑金属表面刻蚀一维槽阵列或二维孔阵列的结构来支持人工表面波(称之为人工表面等离子体或伪表面等离子体模式)的理论提出已有些年,应用到太赫兹波段的成果还相对较少,尤其是各种器件的设计、加工等。论文主要研究工作主要集中在基于人工表面等离子体模式的太赫兹传感、波导及天线结构等,并分为三个部分:(1)从理论上设计并研究了一种新型太赫兹折射率传感器。该传感器是由一维周期性金属矩形槽与棱镜组成的Otto型耦合结构,是基于人工表面等离子体共振的原理。利用有限元算法研究其反射谱中共振角随分析物折射率改变的特性,并获得传感灵敏度S为320°/RIU,当角度分辨率为1×10-4度时能够探测到的最小折射率为3×10-7RIU。通过引入倾斜矩形槽进一步提高了其传感灵敏度,最高可达452°/RIU,并且比文献中光波段之前所报道的要高出很多,从而实现了高效太赫兹折射率传感。(2)从理论上研究了在V形、矩形、梯形这三种不同形状槽结构一维阵列中传播的人工表面等离子体模式的波导特性。研究结果表明梯形槽阵列要比其他两种具有更强的约束能力,人工表面等离子体波导的传输损耗不仅决定于工作频率和渐近频率,而且受到每个槽中形成的TEM模式的损耗影响。通过计算这三种结构在较小的弯曲半径(～0.5λ)情况下的弯曲损耗,结果表明尽管直线梯形槽阵列有最大的传输损耗,但其通过90°弯时的损耗却是最小的。梯形槽的这些特性和易于加工使得其在亚波长平面太赫兹光子集成方面更有优势。(3)利用刻有槽结构的金属条带能够激发人工表面等离子体模式的原理从理论上首次提出了一种新型太赫兹天线。由于金属槽型结构两端的截断,人工表面等离子体模式在这个结构上面传输并来回反射,在散射谱中得到了尖锐的法布里-玻罗模式,这与光学中条形纳米天线的特性有点类似。而且在法布里-玻罗模式对应的频率处,该天线周围的局域太赫兹电场强度得到大幅度增强,达到入射太赫兹波电场的约7×104倍。这就为太赫兹波段与物质的相互作用增强奠定了基础,并且可以将纳米天线在光波段的很多应用转移到太赫兹波段来,这将在THz传感、探测及开关、调制等领域具有巨大的应用前景。
【关键词】：太赫兹波 人工表面等离子体 折射率传感 平面波导 天线
【学位授予单位】：中国计量大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN820;TP212
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-14
• 1 绪论14-28
• 1.1 太赫兹波简介14-16
• 1.1.1 THz简介14-15
• 1.1.2 THz国内外发展状况15-16
• 1.2 太赫兹的产生与检测16-18
• 1.2.1 THz的产生16-17
• 1.2.2 THz的探测17-18
• 1.3 太赫兹表面等离子学18-26
• 1.3.1 金属/介质界面上的表面等离子体18-20
• 1.3.2 太赫兹波段人工表面等离子体20-24
• 1.3.3 人工表面等离子体应用举例24-26
• 1.4 论文章节安排26-28
• 2 基于人工表面等离子体共振的太赫兹折射率传感器28-37
• 2.1 引言28-29
• 2.2 模型结构与理论基础29-32
• 2.3 传感器灵敏度分析32-34
• 2.4 灵敏度提高34-36
• 2.5 本章小结36-37
• 3 基于一维人工表面等离子体模式的平面波导研究37-46
• 3.1 引言37-38
• 3.2 结构模型与色散关系38-41
• 3.3 长距离传输与弯曲损耗41-44
• 3.4 本章小结44-46
• 4 基于条带结构的太赫兹天线研究46-61
• 4.1 引言46
• 4.2 物理模型与色散关系46-48
• 4.3 二维散射截面与电场增强48-52
• 4.4 三维平面散射截面与电场增强52-58
• 4.5 太赫兹天线阵列58-60
• 4.6 本章小结60-61
• 5 总结与展望61-63
• 5.1 总结61-62
• 5.2 展望62-63
• 参考文献63-69
• 作者简介69-70

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本文编号：904100