太赫兹波主动调控和时域光谱氧化物材料研究

发布时间：2018-06-16 17:01

本文选题：太赫兹 + 主动调控　；参考：《中国科学技术大学》2017年博士论文

【摘要】：太赫兹波段处于低能量的电子学和高能量的光子学之间的过渡地带,是最后一段被人类了解和认识的电磁波波段,也是目前公认的具备很多优良特性的波段。太赫兹辐射的产生,传输,调控和探测构成了太赫兹科学这门新型科学的关键技术,在高速宽带通信,国防安全,医疗诊断,材料研发等多个领域具有重要的应用价值。然而,由于太赫兹光子的能量较低,很多物质对于太赫兹光的响应十分微弱,致使太赫兹功能器件的研究和发展仍然相对滞后,高效、主动的太赫兹器件仍然十分匮乏。同时,太赫兹的产生-测量系统,作为太赫兹应用系统中的关键部分,仍然有很多的不完善;在前沿研究领域,自行搭建高性能参数、可扩展性强的太赫兹产生-测量系统是必要的选择。本论文首先在太赫兹主动功能器件方面进行了探索,提出了一种新颖的主动调控太赫兹波的方法,设计并验证了应用该方法调制太赫兹辐射的器件的性能;然后系统地开展了太赫兹产生-测量系统的设计和搭建工作,并利用该系统针对一些氧化物功能材料开展了相关的研究。本论文的具体研究内容如下:1.提出了一种基于石墨烯的利用外加磁场和栅极电场来主动调控太赫兹波的新颖方法。该方法从石墨烯在磁场下不均匀分布的郎道能级入手,通过栅极电场的方式调控朗道能级间的光学跃迁,进而可以选择性地吸收不同频率的太赫兹光子。这样,通过主动地选择不同强度的磁场和栅极电场的组合,基于该方法的器件就可以灵活的针对不同频率的太赫兹波进行主动调制,在频率选择上拥有的自由度极高。2.在基于石墨烯的双外场主动调控太赫兹方法的基础上,提出了一种平板型太赫兹主动调控原型器件。数值仿真的结果显示,该原型器件在双外场下具有非常优异的调制性能,可在四个独立的频率通道上主动调制太赫兹光的振幅,调制深度高达35dB。同时,在不同的通道间切换所需的能量最低低至1OmeV,验证了我们提出的这种新颖的太赫兹波主动调制方法还具有非常高的调制效率的优点。3.通过引入表面等离激元的近场增强效应,在基于石墨烯的透射式双外场主动太赫兹调制器件中,显著地增强了器件对于透射太赫兹辐射的调制效果。在该透射式主动太赫兹调制器中,通过将互补开口环阵列(CSRRs)嵌入到器件栅极电容层的下方,将入射太赫兹波的能量局域在石墨烯层和CSRRs层之间,极大的增强了石墨烯与太赫兹电磁场相互作用的强度,从而显著地增强了器件的调制深度。数值仿真的结果显示,该主动器件在双外场的控制下对透射太赫兹波的振幅调制深度高达95.1%。进一步的分析显示,该方法也可以针对太赫兹光的偏振进行主动调制,通过合适强度的磁场和栅极电场搭配,可以将入射的线偏振太赫兹光调制为圆偏振出射的太赫兹光。4.实验方面,搭建了两套基于不同原理的太赫兹时域光谱测量系统。其中,基于光电导天线的太赫兹时域光谱系统具有大带宽、高信噪比、高稳定性等特点:整套系统工作在0.1到4.8THz波段、时域峰值与噪声的比值高达30000:1、单次扫描的动态范围达到90dB、频域分辨率达到5GHz。与文献中报导的各类TDS相比,该套系统均达到了先进水平。另一套基于非线性效应的太赫兹时域光谱测量系统则具有高可扩展性、高太赫兹脉冲能量等特点,能在下一步的研究中通过更换非线性晶体实现更宽的频谱覆盖,以及亚mJ级的太赫兹脉冲。此外,这两套系统均通过协同控制步进电机和锁相放大器的内部参数,为不同的测量场合实现了不同的扫描方式:快速扫描可以在2s的时间内迅速给出太赫兹时域光谱,而精细扫描则能最高以30000:1的信噪比和5GHz的频谱分辨率给出精细的太赫兹时域光谱。5.利用太赫兹时域光谱测量系统对一些典型的钙钛矿和层状钙钛矿氧化物进行了太赫兹波段的光学表征,通过对这些材料的太赫兹波段介电特性的测量、分析、理解和积累,为以后更加深入的参量复合量子功能材料的研发、高通量近场物性表征等方向的研究打下了扎实的基础。特别的,发现了 La0.7Sr0.3MnO3薄膜在太赫兹波段下所兼具的高透过率和高导电性的特点,使其可以被应用为太赫兹科学技术中一种新型的透明导电薄膜电极材料。6.应用自主加工的温控台将太赫兹时域光谱系统升级为原位变温太赫兹时域光谱系统,可精确控温到0.2℃;并利用该系统测量了变温条件下VO2/Al203外延薄膜的太赫兹时域光谱,对VO2的相变行为进行了简单的分析和讨论;同时,利用VO2的金属-绝缘体相变特性,在温度场的调控下,对太赫兹光进行主动振幅调制,实现了高达84.6%的调制深度。7.应用动态孔径近场成像方法改建了太赫兹时域光谱测量系统,使得我们的太赫兹时域光谱系统获得了超衍射极限的空间分辨成像能力;通过利用该系统表征光电导天线表面的天线结构,获得了水平方向40微米,约为λ/8的近场扫描图像,证实了这套系统在亚波长尺度上的成像能力。特别的,设计并加工了基于超薄银膜的无泵浦吸收地可见光/太赫兹光双色分束镜,可以在反射可见光的同时无泵浦吸收的透过太赫兹光。该双色分束镜在动态孔径太赫兹近场成像系统中扮演了关键的角色。
[Abstract]:In this paper , a novel method for actively controlling terahertz wave based on graphene is proposed , which is based on the field of high - speed broadband communication , national defense security , medical diagnosis and material development . A terahertz time - domain spectral measurement system based on different principles is presented in this paper . The terahertz time - domain spectroscopy system based on the nonlinear effect has the characteristics of large bandwidth , high signal - to - noise ratio , high stability and the like .
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O441.4

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