太赫兹超材料电磁诱导透明现象的电路模型研究

发布时间：2018-12-18 00:07

【摘要】：超材料是一种由人工合成的电磁材料,是近年电磁领域研究热点之一。通常超材料的周期单元尺寸比其工作波长要小,且不考虑单元之间的耦合,因此可以把超材料看成是一种连续媒质,用等效介电常数和等效磁导率来表征其电磁响应。超材料具有许多奇特的物理性质,如负折射率、超分辨率,电磁黑洞等,主要是由于其谐振特性决定的。这些电磁特性不仅取决于构成超材料的金属材料的物理特性,还取决于超材料单元结构的尺寸、形状参数等。随着对超材料研究的深入,利用单元内部结构之间的相互作用更灵活地进行电磁波的调控,成为超材料的一个新的研究热点,其中一个代表性的工作就是基于超材料的电磁诱导透明(Electromagnetic induced Transparency,简称Err)现象的研究。这种现象是一种量子干涉效应的结果,利用超材料进行EIT的研究,可以免去对工作条件的苛刻要求,且可以从微波到光波段观察到该现象,方便于研究EIT现象与影响其特性的各种参数的关系。目前对这个方面的研究主要是基于电磁场仿真软件,计算超材料的频谱特性,不能够对各种参数对频谱特性的影响给出定量和半定量的分析。我们的工作是基于电路模型分析电路参数之间的定量关系以及与EIT传输谱之间的关系,并通过仿真和试验来验证相关结论。主要工作包括：1、首先从超材料实现EIT的电路模型出发,研究其电路模型中两个参数：耦合强度和损耗对谐振的影响,分析谐振子间的耦合强度以及谐振子损耗对EIT现象的影响并进行实验验证。两种实验途径：一种是用超导NbN制备EIT金属结构,在低温状态通过调节温度改变超导的电导率达到改变结构损耗的目的,观察电阻值的变化对EIT现象的影响。另一种是通过明暗谐振子之间距离的变化来改变两个谐振子间的耦合强度,观察电路参数耦合系数的变化对EIT现象的影响。2、采用多层U型环来实现类EIT现象也是一种常用的方法。在第二章,我们对双层U形环的耦合进行了电路分析,这种双层U型环耦合不仅包括电容耦合效应,还包括电感耦合效应。改变耦合谐振子之间距离只是这种结构耦合调控的一种方法,我们通过两层U型环间的旋转角度的变化来进行耦合强度的调控并分析这种情况下双层环耦合存在谐振劈裂的条件；分析了谐振劈裂与两层U型环之间旋转角度的关系。3、我们设计了通过传导耦合实现EIT现象的太赫兹超材料结构,在明谐振子和暗谐振子之间不仅存在磁场耦合和电场耦合,还有通过金属结构传导能量的传导耦合。这些耦合共同作用使得结构产生EIT现象。4、设计和制备了柔性超材料实现EIT。我们采用多层结构实现类似于立体超材料的结构,在THz波段直接观察到EIT现象。由于柔性材料衬底很薄,不会引起FP效应,具有很高的实际应用价值。通过上面的分析,我们可以半定量地确定超材料单元间的耦合对超材料传输特性的影响,为进一步理解超材料的参数对EIT特性的影响提供了理论依据。
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【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB34;O441

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