超材料结构设计与太赫兹波调控

发布时间：2017-12-25 05:26

本文关键词：超材料结构设计与太赫兹波调控　出处：《南京大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：太赫兹技术由于其在安全检测、医学成像、无线宽带通信及物质鉴别等领域的重要应用前景,近些年来已逐渐成为研究的热点。在之前很久的一段时期内,由于自然界中几乎不存在对太赫兹波有理想电磁响应的物质,因而太赫兹波段发射源、探测器、透镜、开关、滤波片等功能器件的制备也一直发展缓慢。而这些功能器件都是最终实现太赫兹技术应用所必不可少的部分,所以太赫兹波段又被称为“太赫兹空隙”,即技术发展中的空白部分。近二十年来,随着以量子级联激光器为代表的太赫兹发射源的研制成功,以及利用天线结构制备太赫兹探测器技术的逐渐成熟,在推动太赫兹技术研究巨大进步的同时,也对太赫兹开关、偏振片、透镜等具有太赫兹控制、调制功能器件的发展和制备提出了急切的要求。通过人工设计制备、具有可调电磁特性的超材料的出现,刚好解决了太赫兹波段功能材料缺乏的问题。由于理论上这些超材料可以通过设计实现对于任意波段的电磁响应,所以基于超材料设计太赫兹波段功能材料和器件是一个极具潜力的技术路径,将可以实现天然物质很难实现的对于太赫兹波的控制和处理。本篇论文将主要介绍如何基于超材料,实现对太赫兹波振幅与偏振状态的有效调控,具体研究内容如下：1.由于超材料结构的共振特性可以通过外部激励来控制,如施加光照、电场、磁场、温度或者机械应力等,所以,经过这些超材料透射的太赫兹波的振幅、相位、频率等参数都可以通过改变这些外部激励来实现主动式控制。这样一来,制备具有可调谐共振特性的超材料对于提高太赫兹系统的功能性和灵活性就具有非常重要的意义。然而,太赫兹技术领域长期以来面对的一个问题就是如何制备大面积、高均匀性的太赫兹主动式超材料,以实现对太赫兹波更高效、更精确的控制。本部分工作中,一类基于增强型非晶氧化物薄膜场晶体管制备的主动式太赫兹超材料被提出并得以实验证实。使用全波技术进行的模型分析和基于多极子理论进行的模拟计算所得结果都与实验所测得的结果具有很好的一致性。通过理论分析可知所设计的薄膜晶体管结构是通过电响应与入射电磁波在0.75THz处产生耦合共振的。且可以通过施加外部电场调节晶体管的沟道导电性来实现对结构共振特性的控制。这样一种基于非晶氧化物薄膜晶体管制备的太赫兹超材料,具有低工作能耗、低制备成本、大面积均匀制备以及与传统半导体工艺兼容等优势,从而非常有望在未来太赫兹显示、传感、通信等技术应用领域得到广泛的应用。2.对于太赫兹偏振状态的调控是太赫兹领域内非常重要的一项技术,不仅是具有偏振依赖特性太赫兹功能器件的需求,也是太赫兹技术在显示、成像领域实现应用的必要前提。另一方面,太赫兹在未来无线通信领域内的编码及信息处理中的应用也必须解决对于太赫兹偏振态的调控。然而,自然界中缺乏对于太赫兹波段具有理想手性特征的天然材料,因而实现太赫兹偏振态的旋转,尤其是非对称旋转就显得非常困难。在第二部分工作的介绍中,基于两层金属结构制备了具有三维手性特征的超材料,实现了对于太赫兹线性偏振态较强的非对称旋转,并首次成功进行了对于太赫兹两个线性偏振态之间控制非的逻辑运算。这样的一种太赫兹偏振旋转器件的结构设计在可靠、稳定、低损耗太赫兹偏振控制和处理的应用中非常具有发展潜力。同时,利用三维手性材料中偏振态的非对称旋转实现电磁波偏振态之间逻辑运算的方案,也为未来光学波段超级计算的实现提供了可以借鉴的技术思路。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN761;O441.4

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