基于二氧化钒超材料的太赫兹波光学性能调控研究

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超材料吸收器、调制器是调控太赫兹波光学性能的重要器件,将其与热致相变材料二氧化钒(VO2)相结合,可以实现温度对太赫兹波光学性能的调控。但目前,利用VO2对太赫兹波透过率进行调控时,仍存在调制深度频率响应不足的问题;同时,基于VO2超材料的太赫兹波吸收器仍存在吸收宽度较窄的问题。针对上述问题,本文进行了以下两部分内容的研究:(1)为了增强VO2薄膜对太赫兹波段透过率调制深度的频率响应,本文提出并制备了一种VO2球面薄膜阵列结构。利用自组装方法在蓝宝石基底表面制备了一层直径为10μm的Si O2球形阵列,通过磁控溅射和快速退火工艺在Si O2球形阵列表面制备VO2球面薄膜,利用透射式太赫兹时域光谱(THz-TDS)系统对VO2球面薄膜透过率调制深度的频率响应进行了研究。研究结果表明,VO2球面薄膜可以利用球缝隙间的电偶极子共振作用,产生随频率增加而增大的共振吸收,使得球面薄膜的透过率调制深度在1.5 THz-3 THz波段明显增大。退火时间为55 s的球面薄膜拥有更好的电学性能。在频率由1.5 THz增加至3 THz的过程中,球面薄膜的调制深度增大了59.05%,而平面薄膜调制深度仅增加了16.41%。同时,通过仿真模拟,发现调整球缝隙之间的宽度可进一步增强VO2球面薄膜的调控能力,当球缝隙宽度为0.05μm时可得到最佳的共振吸收频率响应,进而有效地提高太赫兹透过率调制深度的频率响应性能。(2)为了增加可调谐太赫兹吸收器的吸收带宽,本文提出并设计了一种基于VO2阵列结构的太赫兹吸收器。该吸收器是由对角分布的双尺寸VO2圆形阵列、Si O2介质层和Au全反射层三层结构组成。通过仿真的方法研究了结构参数对吸收器性能的影响规律。结果表明当顶层对角分布VO2圆盘尺寸比为7.5:5时,吸收器的吸收带宽最大,吸收率大于90%的吸收带宽可达5.04 THz。该吸收带宽由VO2共振结构在频率为5.5 THz、6.9 THz和9.3 THz处的三个共振吸收峰叠加而成;随着VO2电导率的变化,吸收器的吸收率可实现连续调节,单一吸收峰的吸收率可从8%增加到96%。此外,该吸收器还具有宽角度工作能力和极化不敏感特性。本文提出的VO2球面薄膜阵列结构调制器和基于VO2阵列结构的吸收器,将促进太赫兹波主动调控器件的研究,对智能太赫兹调制器和隐身材料的开发具有重要意义。
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