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太赫兹波位于微波与红外光波之间,具有穿透力强、分辨率高、频带宽等特性,在安全检测、无线通信、生物医学等诸多领域具有重要的研究价值和应用潜力。太赫兹技术的广泛应用离不开功能器件的支撑,因此太赫兹功能器件的研究逐渐成为人们关注的热点。但是,与快速发展的太赫兹辐射源和探测技术相比,目前太赫兹功能器件相当匮乏,限制了太赫兹技术的进一步发展。研究可调控的太赫兹功能器件对推动太赫兹技术的发展具有重要意义。 本文首先介绍了太赫兹波的基本特征,总结了国内外太赫兹功能器件的研究进展,然后重点介绍了包括光子晶体、表面等离子体、超材料等微结构的太赫兹人工材料的性质、传输机制和发展现状。在此基础上,本文将对太赫兹波有较强响应的InSb、VO2等可调控材料与人工微结构相结合,对太赫兹聚焦器件、定向发射器、调制器、传感器以及偏振器等功能器件进行了研究,主要内容如下: 1、基于InSb材料在太赫兹波段的色散特性,提出了一种InSb-空气-金属-InSb周期性排列的亚波长类凸透镜阵列结构,研究了温度和磁场强度对器件聚焦特性的影响。结果表明,当温度T=172K、磁场强度B=0.5T时,器件对入射波频率f=0.8THz的光束具有良好的聚焦效果,焦点处的能流密度达到10254W/m2,比没有外加磁场时的350W/m2增大了28倍。通过调节温度和磁场强度,该器件还可以实现0.4-0.8THz较宽频带太赫兹波的聚焦,且焦点处的能流密度比无外加磁场时增强20倍以上。 2、设计了一种基于InSb的亚波长狭缝-光栅结构,通过改变温度和磁场强度,实现了对太赫兹波透射光束偏转角度的主动调控。结果表明,当温度T=220K、磁场强度B=0.6T,器件对频率f=0.65THz的入射波的偏转角度可达45.8°。且在相同温度和磁场强度条件下,该器件对不同频率太赫兹波透射光束的偏转角度不同,实现了太赫兹波的分光功能。 3、设计并制备了以硅为基底的单开口谐振环超材料光控调制器件,实验研究了器件在太赫兹波段的谐振和调制特性。实验和模拟结果一致表明,对于不同电场方向的入射太赫兹波,器件产生谐振的机制不同;通过调节泵浦光的功率实现了对太赫兹波的调制,调制深度达到83.6%。 设计了一种包括金属环超材料、InSb隔层和石英玻璃基底三层结构的太赫兹超材料构,利用InSb介电常数对磁场强度比较敏感的特性,实现了对磁场强度的传感。结果表明该器件在磁场强度从0.1T增大至0.4T时,谐振频率位移量达到130GHz,传感灵敏度高达433GHz·T-1。 设计了一种基于VO2相变材料的十字型金属阵列超材料偏振控制器件,利用VO2的相变特性,在一个器件上实现了起偏和偏振开关功能。当VO2处在介质相时,器件可对不同偏振方向的入射太赫兹波具备起偏功能。在光泵浦条件下,VO2从介质相变成金属相,谐振频率发生移动,相变之前可以透过的太赫兹波此时不能透过,相变之前不能透过的太赫兹波此时则可以透过,实现了太赫兹波开关的功能。