基于超材料的太赫兹器件及其电磁特性研究

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太赫兹(THz)波独特的频段范围和频谱特性,使得THz技术成为现代科技、国民经济以及国防建设领域中研究的热点。随着THz技术的深入发展与广泛应用,对各类THz器件的研究提出了迫切的需求。超材料是一种新型的人工复合材料,具有负折射率、超高分辨率等奇异物理特性和超宽频谱响应,为太赫兹器件的发展提供了新的机遇。本文基于超材料,对THz吸波器、极化器和等离子体诱导透明(Plasma induced transparency,PIT)结构展开研究,主要内容如下:(1)提出并研究了一款基于金属缺口环结构的多频带等离子体诱导透明器件。该器件由两个等离子体诱导透明子结构组成,该子结构明-暗模耦合距离不同,各自可以独立产生单频带。该器件在0.6-1.8THz范围内实现了 3个透明窗口,且窗口透射率均大于80%。在本工作中,等离子体诱导透明结构的透明窗口中心频率随上层待测物折射率的变化而变化,而且可以通过在缺口环处加入光敏硅,使得透明窗口的幅值随光照强度的变化而变化。研究表明,该结构不仅具备很好的传感性能,还具有“慢光效应”,最高延迟可达4ps。(2)提出并研究了一款基于双弧结构的超宽带太赫兹吸波器。该结构在0.59-1.31 THz频率范围内的相对吸收带宽为76%,且吸收率大于90%。在本工作中,此结构不仅在TE和TM模式下具有较高的吸收效率,并且在宽角度斜入射时仍具有超宽的吸收带宽。上述特性表明,该吸波器在频带内具有极化不敏感、宽角度斜入射时仍保持较高吸收效率的优点。吸波器样品实测结果和仿真结果基本吻合。(3)提出并设计了一款基于曲折线双层结构的宽带线-圆极化器。该极化器在0.4-1.0THz频段范围内,实现了相对带宽为52%(轴比AR<3dB)的宽带线-圆极化转换。相较于单层曲折线,双层曲折线增加了两个相互垂直分量上的相位差,实现了窄带线-圆极化转换。由于金属片的引入,拓宽了相位差的频谱宽度,从而拓宽了圆极化带宽(轴比AR<3dB),实现了宽带线-圆极化转换。极化器样品实测结果和仿真结果基本吻合。
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