基于二氧化钒相变特性的太赫兹超表面谐振器的研究

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超表面结构是可以通过人为设计其结构特征,而具有不同的电磁波传输特性的一种微结构。将超表面结构运用到太赫兹频段,再利用新型材料的可控特性,可以实现对太赫兹波的快速、高效的调控,极大地促进了太赫兹器件的发展。本论文将采用金属-绝缘体相变材料二氧化钒(VO2)与金(Au)两种材料设计得到一种混合的超表面结构,实现超表面结构的重构响应,对太赫兹波的谐振模式进行调控。论文具体研究内容如下:1.本文利用COMSOL Multiphysics有限元软件对一些简单的太赫兹超表面进行了仿真模拟,在对矩形超表面以及十字形超表面的模拟中,这两个超表面结构在频谱中均有一个谐振峰。利用这两个结构的电场分布情况分析其谐振峰产生的原因,发现这两个超表面谐振峰的产生至于其结构的水平臂长有关。改变水平臂长即可改变其谐振峰的位置。2.VO2具有绝缘体-金属相变特性,在升温过程中相变温度为68℃,在降温过程中相变温度为64℃。如果将VO2应用在太赫兹超表面结构中会实现结构的重构现象,可以实现对太赫兹波的自主调谐。从局部表面等离激元纳米球出发对比了太赫兹超表面,说明了超表面结构的几何参数与太赫兹超表面谐振峰的产生的关联性。3.设计了一种VO2-Au混合十字形超表面结构,该结构由材料为Au的矩形结构和材料为VO2的“T”形结构组成。在低于相变温度时该结构呈现矩形超表面结构的谐振特性,在高于相变温度时该结构呈现为十字形超表面结构的谐振特性。经过仿真模拟,该结构在低温时(45℃),在1.41 THz处有一个透射率仅为3%的谐振峰。在高温时(75℃),在0.92 THz处有一个透射率9%的谐振峰。利用连续变化的温度与透射率的二维谱线,证明了THz传输频谱的共振模态转变过程和谐振器的连续可调谐特性。对其进行电场分析,在低温时该结构的电场分布与矩形结构的电场分布相同,在高温时该结构的电场分布与十字形结构的电场分布相同。进一步证明了VO2在太赫兹超表面中具有重构响应。4.设计了一种VO2-Au混合十字形结构超表面,实现了双模谐振到单模谐振的主动调控。在低温时,呈现为L形结构的谐振特性,该结构有两个谐振峰。在高温时呈现十字形谐振特性,仅存在单谐振模式。利用超表面结构的电场分布,分析了混合超表面谐振特性变化的物理机理。利用连续变化的温度下与透射率的二维谱线,说明了THz传输频谱的共振模态转变过程,和谐振器连续温度调谐的特性。
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