基于金属表面等离子激元的太赫兹波段功能器件研究

摘要

随着太赫兹波源与探测器技术的成熟，太赫兹波段的技术应用正在飞速发展。太赫兹波功能器件的研究对于推动太赫兹波段技术应用有积极意义。
　　金属表面等离子激元可以在与入射波波矢平行的方向上突破电磁波衍射极限，将太赫兹波束缚在亚波长尺寸上传播，或者产生透射增强效应，使特定频率范围内的太赫兹波透过亚波长周期阵列结构，利用太赫兹表面等离子激元的波导效应与增强透射效应，可以促进太赫兹波段功能器件的研究与发展。根据表面等离子振荡的连续性差异，表面等离子激元可以分为传播性的表面等离子激元和局域性的表面等离子激元两种。二者各自具有不同的性质。本文基于对于两种表面等离子激元不同特性的研究，设计并研究了若干太赫兹波段功能器件，并通过实验验证了数值仿真分析的结果:
　　(1)理论分析了金属膜上刻蚀有亚波长空气环阵列的“金属-介质-金属”结构的透射特性，对透射谱中两个窄带谐振峰的耦合模式进行了深入分析，利用局域性表面等离子体特性设计了窄带滤波器，利用传播性表面等离子体特性设计了窄带偏振器。通过优化仿真参数，确定了优化设计方案，并结合现有测试设备制作了样品，测试得到的窄带滤波效应和偏振特性与仿真结果一致。
　　(2)基于对“金属-介质-金属”透射特性的分析，计了七层太赫兹调制器方案，利用传播性表面等离子体耦合与金属外侧介质介电常数相关的特性，通过改变外侧介质介电常数实现了对窄带谐振峰中心频率的调制。试制了实验样品，通过实验初步验证了该方案的可行性。
　　(3)基于表面刻蚀有亚波长周期结构金属的太赫兹表面等离子波特性，设计并制作了双层平行亚波长周期刻蚀金属板结构，该结构相较于单层结构，具有较好的低通特性，并且在表面波模式与波导模式之间有一能带间隙，可设计制作太赫兹带阻滤波器。改变两板间的距离可调节滤波器阻带特性。结合利用倾斜平板耦合器件，制作了带阻滤波器样品，阻带特性测试结果与仿真结果一致。
　　(4)利用局域性表面波横模与纵模的电场方向垂直的特性，结合传播性表面等离子激元与局域性表面等离子激元的相互耦合，设计了十字型太赫兹分束器。通过波场分析，使用电子云模型解释了传播性表面等离子与局域性表面等离子激元相互转换过程，及其在太赫兹波分束过程中的作用。该分束器设计可以在较宽频段内实现在不改变入射波光学特性的情况下的分束。

目录

声明

致谢

摘要

英汉缩略语表

符号表

1 绪论

1．1 太赫兹波简介

1．2 太赫兹波应用简介

1．2．1 太赫兹波源

1．2．2 太赫兹波探测器

1．2．3 太赫兹实验测试系统简介

1．2．4 太赫兹波段功能器件研究进展

1．3 太赫兹表面等离子激元简介及其功能器件研究进展

1．3．1 金属亚波长周期性结构的电磁波透射研究进展

1．3．2 波导型表面等离子功能器件研究进展

1．3．3 LSP研究进展

1．3．4 太赫兹耦合结构

1．4 选题意义、研究内容、创新点与章节安排

1．4．1 选题意义

1．4．2 研究内容与创新点

1．4．3 章节安排

2 太赫兹表面等离子激元基础

2．1 太赫兹波段的金属介电常数

2．2 PSP理论基础

2．2．1 真空中的平面波

2．2．2 光滑金属表面的PSP

2．2．3 金属一维周期性结构表面的PSP

2．3 LSP理论基础

2．4 数值计算方法与仿真软件

2．4．1 时域有限差分法软件

2．4．2 有限元法软件

2．5 本章小结

3 基于表面波透射增强现象的太赫兹波功能器件研究

3．1 双层环状亚波长阵列结构的太赫兹波透射增强现象初步分析

3．2 基于亚波长阵列结构的窄带滤波器及偏振器件设计与实验

3．2．1 几何参数对窄带滤波器影响的仿真分析及窄带滤波器设计

3．2．2 非对称周期MDM结构的设计与实验

3．2．3 窄带偏振器的优化设计

3．3 多层介质金属混合结构研究及太赫兹调制器仿真设计与初步实验验证

3．4 本章小结

4 波导型表面等离子功能器件的设计

4．1 平行周期性刻蚀金属板结构传输特性研究及其应用

4．1．1 平行周期性刻蚀金属板结构透射特性仿真分析

4．1．2 太赫兹耦合结构

4．1．3 基于平行周期性刻蚀金属板结构透射特性的太赫兹带阻滤波器实验与分析

4．1．4 误差分析

4．2 十字形周期性刻蚀金属结构透射特性分析及太赫兹分束器设计

4．2．1 分束器的设计与透射特性仿真分析

4．2．2 结构参数对分束器特性影响分析

4．3 本章小结

5 结论与展望

参考文献

作者简历及在学期闻所取得的科研成果