纳米光导开关太赫兹表面等离子体源

摘要

太赫兹波由于其波段的特殊性，在生物医学和安全检测方面具有重要应用价值，利用局限在金属表面的太赫兹表面等离子体可进一步提高检测的空间分辨率。光导开关是产生太赫兹波的一种有效方法，利用纳米氧化钛线作为光导开关的功能间隙，可以提高其产生的太赫兹波的辐射性能。本文围绕以纳米氧化钛线作为功能间隙的光导开关辐射的太赫兹波，开展了深入的理论研究，在此基础上提出并发展了一种由纳米光导开关、硅微三角棱柱和金属缝构成的新型太赫兹表面等离子体源器件，主要完成的研究工作和取得的成果如下：
　　 ⑴根据电流瞬冲模型和全波理论分析了蓝宝石上硅基纳米光导开关辐射太赫兹波的特性，利用有限时域差分方法数值求解了半导体载流子的寿命、偏压电场以及激励激光对所产生得太赫兹波的影响。计算结果表明：当光导开关的功能间隙为针尖诱导阳极氧化加工的纳米氧化钛线且衬底的材料为O+离子注入的蓝宝石上硅时，可以减小载流子的寿命、缩短载流子运动的距离、承受更大的偏置电压，从而提高光导开关的响应速度、增强输出太赫兹波的带宽和峰值。
　　 ⑵针对目前制约入射光波照射金属纳米结构产生表面等离子体的瓶颈，入射光和表面等离子体的转化效率的问题，首次提出了可以产生两束交叉传播的平面波的微三角棱柱结构。通过对微三角棱柱产生的表面等离子体电磁场数值计算得出：利用该设计很好的解决正入射激励光激发表面等离子体效率较低的问题，有效的提高了表面等离子体的耦合效率。
　　 ⑶以太赫兹波段亚波长金属结构表面等离子体的产生机理为基础，结合对蓝宝石上硅基纳米光导开关辐射太赫兹波特性研究和微三角棱镜聚焦光束提高表面等离子体耦合效率的分析，提出了纳米光导开关的太赫兹表面等离体源的结构。设计了对纳米光导开关辐射的太赫兹波进行聚焦的硅微三角棱柱，并采用时域有限差分的方法对其聚焦特性进行了研究。结果表明：硅微三角棱柱对光导开关产生的太赫兹波在整个频率范围内都有很好的聚焦效果，同时提高了太赫兹波激发金属缝产生的太赫兹表面等离子体的透射增强。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

第一节 THz波及光导开光简介

1.1.1 太赫兹(THz)波及其产生方法

1.1.2 光导开关的发展历史

1.1.3 光导开关的国内外研究现状

第二节 纳米光导开关的THz表面等离体源的概述

1.2.1 纳米光导开关的说明

1.2.2 THz波段金属表面等离子体(SPP)研究现状

1.2.3 纳米光导开关与THz波段表面等离体(SPP)的结合

第三节 本文研究内容及创新点

第二章 蓝宝石上硅基纳米光导开关THz波辐射特性的研究

第一节 光导开关的原理及影响因素

2.1.1 光导开关的结构及其产生太赫兹脉冲的原理

2.1.2 光导开关产生太赫兹脉冲的影响因素

第二节 蓝宝石上硅基纳米光导开关辐射THz的理论模型

2.2.1 蓝宝石上硅基纳米光导开关的结构及参数

2.2.2 蓝宝石上硅基纳米光导开关产生THz脉冲的理论模型分析

第三节 结果分析与讨论

2.3.1 电流瞬冲模型

2.3.2 全波理论模型

第四节 本章小结

第三章 微三角棱柱(MTP)聚焦光束激发表面等离子体的耦合效率

第一节 金属表面等离子体及其激发原理简介

3.1.1 表面等离子体的激发原理

3.1.2 表面等离子体的特征

3.1.3 表面等离子体的应用

第二节 MTP在纳米金属缝高效激发表面等离子体模型

3.2.1 提高光波与SPP耦合效率的方法

3.2.2 MTP在纳米金属缝高效激发表面等离子体的结构模型及原理分析

第三节 结果分析与讨论

第四节 本章小结

第四章 纳米光导开关的THz表面等离子体源

第一节 THz波段亚波长金属结构表面等离子体的分析

4.1.1 THz波段亚波长金属结构表面等离子体的理论基础

4.1.2 THz波段亚波长金属结构表面等离子体的应用

第二节 纳米光导开关的THz表面等离子体源原理简介

4.2.1 THz表面等离子体激励光波的说明

4.2.2 纳米光导开关的THz表面等离子体源模型图

第三节 理论分析与讨论

第四节 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果