可调控微结构太赫兹功能器件的研究

发布时间：2017-08-20 14:11

  本文关键词：可调控微结构太赫兹功能器件的研究

  更多相关文章： 太赫兹波 光子晶体 表面等离子体 可调控器件 磁光器件

【摘要】：近年来随着太赫兹(THz,1THz=1012Hz)辐射源和探测技术的突破,THz波的优越特性显示出巨大的应用前景,而THz技术的广泛应用离不开THz功能器件的支撑。人工电磁微结构材料的兴起为发展THz功能器件提供了新的机遇,THz微结构功能器件的研究已成为THz器件的主要发展趋势,并成为THz领域的重要研究前沿之一。 本文在总结国内外THz微结构功能器件研究进展的基础上,在理论和实验上研究了多种基于光子晶体和表面等离子体的新型THz可调滤波、调制、隔离和传感器件。本文对THz功能器件中涉及到的THz材料性质、器件传输与调控的物理机制、微结构器件设计、仿真、加工和实验测试等一系列科学和技术问题进行了研究,其中代表性创新成果总结如下： 1.提出了THz相变光子晶体可调控器件的概念、理论及制备方法,并进行加工和实验测试,首次在实验上用同一微结构器件获得了介质光子晶体、金属光子晶体和表面等离子体阵列三种不同机理的人工电磁微结构,并通过不同的光场调控方式实现了它们之间的相互转换和对THz波的强度调制,器件振幅调制深度达70%。。 2.设计并加工了双肖特基栅阵表面等离子体THz调制器,实验上通过电场调控实现了THz波调制,发现了器件在正偏压下的谐振频率跳变和负偏压下的谐振频率平移两种不同的调制行为,在15V电压下获得大于15dB的强度调制；通过数值模拟研究了不同偏压对器件的两种肖特基势垒中载流子分布的空间调制,以及由此引起的对应光子带隙的产生和移动过程,揭示了一种基于双光子带隙系统的THz表面等离子体调控的新机制。 3.在对旋磁和旋电材料的THz磁光效应研究的基础上,对THz磁光微结构器件中磁场调控和THz单向传输机理进行了深入研究。提出了基于THz磁光子晶体的宽带磁可调谐滤波器和偏振控制器,并进一步提出了磁-硅光子晶体微腔环形器、周期性金属-磁光表面等离子体波导隔离器和金属-磁光表面等离子体透镜三种可调控THz非互易器件,隔离度均超过60dB。在理论上明确了材料的THz磁光效应和系统的非对称性是形成THz波非互易传输的两个必要条件,人工磁光微结构所致的磁等离子体模式的磁光分裂效应在THz波非互易传输和增强上起到了关键作用。 4.在实验和理论上观测并成功解释了THz波垂直入射光子晶体柱阵列结构时的导模谐振效应,揭示了该导模谐振与光子带隙的对应关系,建立了该谐振的有效介质理论和谐振模型,并结合实验证实了导模谐振的对称与非对称谱线线型间的内在关系与相互转化规律。基于此效应,在实验上利用THz光子晶体实现了微量流体的定性检测和实时定量传感,定量传感精度达10-5ml/mm2量级。 5.系统地研究了不同浓度的有机载液磁流体在THz波段光学性质和横向磁光效应,发现了磁流体在THz波段折射率和吸收与磁纳米粒子浓度的关系和磁致双折射效应。通过THz光子晶体填充磁流体的方式构成磁光微结构器件,从实验和理论上论证了该器件在THz波段的磁致导模谐振分裂和相干诱导透明效应,实现了外磁场对THz波的主动调控,并利用该器件实现了THz波对外磁场的传感检测,调制深度达到25dB,传感灵敏度达1mT/GHz.
【关键词】：太赫兹波 光子晶体 表面等离子体 可调控器件 磁光器件
【学位授予单位】：南开大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：O441.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第一章 绪论13-28
• 第一节 THz技术概述13-17
• 1.1.1 THz波的波谱位置13
• 1.1.2 THz技术的特征和应用13-15
• 1.1.3 THz技术研究现状与发展趋势15-17
• 第二节 THz微结构功能器件概述17-24
• 1.2.1 关键THz功能器件研究进展18-23
• 1.2.2 THz微结构器件的主动调控23-24
• 第三节 本文主要内容24-28
• 第二章 THz微结构器件的理论基础与研究方法28-42
• 第一节 常见THz材料的性质28-31
• 2.1.1 材料在THz波段的介电模型28-29
• 2.1.2 常见金属在THz波段的性质29-30
• 2.1.3 常见介质材料在THz波段的性质30-31
• 第二节 THz微结构器件的理论研究方法31-39
• 2.2.1 THz光子晶体的理论方法31-36
• 2.2.2 THz表面等离子体的理论方法36-39
• 第三节 THz功能器件的测试——THz-TDS系统39-41
• 第四节 本章小结41-42
• 第三章 THz光子晶体可调谐器件的理论与实验研究42-61
• 第一节 THz金属光子晶体可调谐滤波器的理论研究42-47
• 3.1.1 材料选择与器件结构43-44
• 3.1.2 THz金属光子晶体的传输与调谐特性44-45
• 3.1.3 THz金属光子晶体波导的传输与调谐特性45-46
• 3.1.4 小结46-47
• 第二节 THz相变光子晶体波导的理论研究47-53
• 3.2.1 VO_2相变及其在THz波段的性质47-48
• 3.2.2 THz相变光子晶体波导的结构与能带特性48-50
• 3.2.3 THz相变光子晶体波导的传输与调控特性50-52
• 3.2.4 VO_2薄膜厚度对器件性能的影响52-53
• 3.2.5 小结53
• 第三节 THz光子晶体的加工53-56
• 第四节 光控THz相变光子晶体的实验研究56-61
• 3.4.1 侧向泵浦调控实验56-59
• 3.4.2 正向泵浦调控实验59-60
• 3.4.3 小结60-61
• 第四章 THz表面等离子体波导调制器件的理论和实验研究61-76
• 第一节 金属-半导体表面等离子体波导调制器的设计61-65
• 4.1.1 半导体InSb在THz波段的性质61-62
• 4.1.2 器件的结构和模式特征62-64
• 4.1.3 器件的调制特性64-65
• 4.1.4 小结65
• 第二节 电控双肖特基栅阵THz调制器的设计与实验65-76
• 4.2.1 器件结构与加工66-68
• 4.2.2 器件的电子学特性68-69
• 4.2.3 器件的传输和调制实验69-71
• 4.2.4 数值模拟与理论分析71-74
• 4.2.5 小结74-76
• 第五章 THz磁光可调谐微结构器件的理论研究76-104
• 第一节 磁光子晶体THz可调谐滤波器和偏振控制器76-82
• 5.1.1 铁氧体材料在THz波段的旋磁性质76-78
• 5.1.2 THz磁光子晶体的能带特性78-80
• 5.1.3 THz磁光子晶体波导的调谐滤波特性80
• 5.1.4 THz磁光子晶体的偏振调控特性80-82
• 5.1.5 小结82
• 第二节 磁-硅光子晶体微腔THz环形器82-88
• 5.2.1 磁-硅光子晶体微腔的结构设计83-85
• 5.2.2 磁-硅光子晶体微腔的模式分析85-86
• 5.2.3 THz磁-硅光子晶体THz环形器的非互易传输与调控86-88
• 5.2.4 小结88
• 第三节 金属-磁光表面等离子体波导THz隔离器88-96
• 5.3.1 外磁场下半导体在THz波段的旋电性质89-90
• 5.3.2 器件结构设计与色散和模式特征分析90-93
• 5.3.3 器件的非互易传输与调控93-95
• 5.3.4 小结95-96
• 第四节 金属-磁光表面等离子体透镜THz隔离器96-104
• 5.4.1 器件的结构和色散特性96-99
• 5.4.2 器件的非互易传输与调控99-102
• 5.4.3 小结102-104
• 第六章 THz光子晶体传感器件的理论与实验研究104-123
• 第一节 THz光子晶体的导模谐振效应104-109
• 6.1.1 实验结果与理论分析104-108
• 6.1.2 入射角度的影响108-109
• 6.1.3 小结109
• 第二节 基于THz光子晶体的微流体传感109-112
• 6.2.1 微流体的定性检测实验109-110
• 6.2.2 微流体的定量传感实验110-112
• 6.2.3 小结112
• 第三节 磁控THz磁流体-光子晶体及其传感应用112-123
• 6.3.1 磁流体在THz波段的光学性质113-116
• 6.3.2 磁流体在THz波段的Voigt磁光效应116-117
• 6.3.3 磁流体填充THz光子晶体的实验与分析117-122
• 6.3.4 小结122-123
• 第七章 总结与展望123-127
• 第一节 本文总结123-126
• 第二节 未来工作展望126-127
• 参考文献127-139
• 致谢139-140
• 个人简历140
• 在学期间发表的学术论文与研究成果140-142

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