论文部分内容阅读
太赫兹(Terahertz,THz)技术是近年来飞速发展的交叉前沿科学技术,作为电磁波谱的一部分,太赫兹波所处的特殊频率范围使其具有优越的特性,为科学技术创新、国民经济发展、国家安全等方面提供了重要的手段。然而自然界中能在太赫兹波段响应的材料非常有限。超材料作为一种新兴的复合材料可以呈现出自然界众多材料所不能实现的特殊电磁特性,它的出现解决了太赫兹波段功能材料匮乏的问题。其中在太赫兹波段利用超材料实现的等离子体诱导透明(Plasma-induced transparency,PIT)是具有代表性的工作之一。本文主要在太赫兹波段,对利用超材料实现的PIT效应展开研究,结合仿真、实验和理论拟合等研究手段对所提出结构的性能参数进行分析。主要研究内容为:首先,研究了一种基于超辐射模式和亚辐射模式的PIT超材料。通过对导电金属条连接的双方环二聚体(DSRJ)和一对开口环谐振器(SRRs)组成的超材料结构进行数值模拟,分析了两个谐振器之间存在的相消干涉现象。当改变设置在连接开口环间隙处石墨烯的费米能级和载流子弛豫时间,进而改变石墨烯的电导率,发现随着石墨烯电导率减小透明窗口逐渐减弱至消失,以此实现对传输振幅的主动调制。其次,设计并制备了一种基于金属条(CW)和双U形谐振器(DUR)的PIT超材料。通过将无图案的单层石墨烯转移到超材料结构表面,观察到超材料对太赫兹显著的调制行为,同时采用洛伦兹振荡模型对转移石墨烯前的传输曲线进行了成功拟合。并且通过数值模拟分析了两个谐振器之间的耦合效应,揭示了PIT形成的内在机制。最后,提出了一种基于曲折线谐振器(MLR)和双U形谐振器(DUR)的PIT超材料,通过实验和仿真研究了三种超材料结构的传输特性。同时提取了太赫兹波透过样品的群延时来说明该结构的慢光能力,并对实验结果进行了理论拟合。此外通过数值模拟研究了不同结构参数下超材料的谐振特性,观察到PIT响应几乎不随参数的改变发生变化,从而显示出该结构的稳定性,并结合等效电路模型分析了这一稳定性的本质。由于MLR结构连续性的特点,将相变材料二氧化钒(VO2)直接集成在明模MLR中,通过设置不同的VO2电导率来调整明模MLR的谐振强度,进而控制两个模式间的耦合效应,以此实现了对PIT效应的主动调制。而且观察到PIT窗口处的群延时也发生了相应的变化,阐释了该结构在实现电控方面的能力和优势,展示了独特的PIT调制行为。