太赫兹光场调制超表面器件的设计与表征

摘要

太赫兹波在电磁波谱中位于红外与微波之间，随着太赫兹波的产生以及探测技术的发展，太赫兹技术受到了广泛关注。由于太赫兹波具有单光子能量低、穿透性好、以及较高的谱分辨率等特征，太赫兹技术能够被广泛应用于安全检查、生物医学以及通信等领域。一直以来，绝大多数的研究者都致力于开发高功率的太赫兹源，以及高灵敏度的太赫兹探测器，并取得了一定的研究进展。为了满足实际的应用需求，研究人员正在努力发展小型化和集成化的太赫兹系统。然而，在太赫兹波段仍然缺乏各种功能调制器件。现有的太赫兹波调制器效率低且体积庞大，如石英波片，聚乙烯透镜等器件。这一现状不仅影响太赫兹技术的发展，还会阻碍小型化太赫兹系统的研发进程。因此，开发体积小、质量轻的太赫兹功能器件也是一项非常重要的研究工作。
　　超表面是一种由亚波长天线组成的人工结构，不仅可以有效减小传统光学系统的尺寸，还可以通过设计实现自然界中不存在的有效介电常数和磁导率。基于局域表面等离子体共振特性，超表面可以被用于调制电磁波的振幅和相位。超表面概念的提出为各种太赫兹调制器的设计提供了机遇。
　　本论文提出了设计太赫兹光场调制超表面器件的普遍方法，并总结了组成超表面器件的C形金狭缝天线对散射波振幅和相位的调制规律。基于这一设计原理，设计了三种太赫兹光场调制超表面器件和一种可调谐超表面器件。具体工作概括如下：
　　基于超表面设计了太赫兹涡旋相位板，产生了拓扑数分别为1、2、3的太赫兹涡旋光场。在实验中，利用太赫兹全息成像系统探测了产生的涡旋光场初始平面上的振幅和相位分布。在光路中加入高阻硅透镜将涡旋光束聚焦，通过Z扫描的方法研究了拓扑数为1的太赫兹涡旋光场的远场传播特性，包括光强和相位的演化。
　　基于杨顾（YG）相位恢复算法设计了工作频率为0.8 THz的焦点间隔分别为2 mm和3 mm的四焦点、九焦点太赫兹超表面透镜。这些多焦点透镜的大小只有10×10 mm2，透镜的尺寸不随着焦点个数的增多而增大。实验测试结果表明，设计的多焦点超表面透镜具有良好的聚焦与成像功能。对多焦点透镜色散特性的研究表明，设计的太赫兹四焦点透镜具有800 GHz的聚焦带宽，在0.8 THz频率处可以达到33.92%的衍射效率。
　　设计了三种不同参数的太赫兹自聚焦光束全息超表面。提出的全息超表面能够同时记录自聚焦光场初始平面上的振幅和相位分布。产生的环形艾里光场能够在自由空间传播的过程中突然聚焦，聚焦的位置与理论计算值相符。在太赫兹波段利用超表面产生自聚焦光束的方法还可以被扩展到其他波段，尤其是可见光波段。用超表面来代替空间光调制器（Spatial light modulator, SLM）能够大大减小系统的复杂性，并能有效地避免SLM引入的零级斑，提高能量利用率。
　　基于二氧化钒（VO2）的绝缘-金属相变特性，将太赫兹超表面透镜与VO2膜结合，设计了温控的太赫兹超表面透镜。实验结果表明，通过改变透镜的温度能够控制聚焦的焦点强度。当样品温度低于337 K时，焦点强度达到最大值；当样品温度高于353 K时，焦点消失；当样品温度处于337-353 K之间时，焦点的强度随温度的改变而改变。这种超薄的可调谐太赫兹透镜有望被用于智能太赫兹系统或温度传感器中。

目录

第1章 绪 论

1.1 太赫兹波

1.2 静态超表面器件

1.3 可调谐超表面器件

1.4 太赫兹光场调制超表面器件的研究进展

1.5 目前研究中尚待深入研究的问题

1.6 本课题研究内容

第2章 光场调制超表面的设计方法与太赫兹实验系统

2.1 引言

2.2 光场调制超表面器件的设计方法

2.3 太赫兹天线设计

2.4 太赫兹全息成像系统

2.5 本章小结

第3章 太赫兹涡旋光场调制超表面

3.1 引言

3.2 理论设计

3.3 太赫兹涡旋光场及传播特性研究

3.4 本章小结

第4章 太赫兹多焦点透镜

4.1 引言

4.2 多焦点透镜设计原理

4.3 多焦点透镜的聚焦与成像实验结果

4.4 本章小结

第5章 太赫兹自聚焦光束全息超表面

5.1 引言

5.2 理论设计及实验装置

5.3 太赫兹环形艾里光束的模拟与实验结果

5.4 太赫兹环形艾里光束的理论分析

5.5 本章小结

第6章 温控太赫兹超表面透镜

6.1 引言

6.2 理论设计及实验装置

6.3实验结果

6.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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