基于亚波长金属狭缝的太赫兹波调控器件研究

摘要

近年来,随着对太赫兹波产生源和探测器研究的逐步深入,太赫兹技术在公共安全、医学成像和无损检测等领域的广泛应用越来越受到人们的关注,然而操控太赫兹波所需要的功能性器件却相当匮乏,特别是有利于太赫兹集成的微小器件。因此,研究和制备太赫兹波调控器件对推动太赫兹技术的发展具有非常重要的意义。基于表面等离子体激元的亚波长金属狭缝结构具有增强透射的特性,通过设计其结构参数,可以实现对特定频率的透射增强,对其它频率的透射抑制,还可以实现对电磁波的强束缚作用,有利于实现器件的小型化。因此它在亚波长光学、超分辨成像、集成器件等领域具有重要的应用价值。将基于表面等离子体的金属亚波长狭缝结构的研究扩展到太赫兹波段,既可以促进太赫兹波段功能性器件的研究,又可以促进太赫兹系统的小型化和集成化发展。
　　本论文通过理论和实验相结合的方法研究了以硅为基底的亚波长金属狭缝结构对太赫兹波的振幅和相位的调制作用。利用数值模拟研究了环形狭缝阵列和“V”形狭缝对太赫兹波的调控作用;利用太赫兹时域光谱技术测试了环形狭缝阵列对太赫兹波振幅的调制作用;利用太赫兹焦平面成像系统表征了超薄光学器件对太赫兹波相位的调制作用;另外还利用太赫兹泵浦探测系统验证了太赫兹器件的动态调制功能。本文主要内容:
　　研究了以硅为基底的亚波长金属“H”形狭缝阵列对太赫兹波振幅的调制作用。在狭缝宽度远小于入射波长的条件下,“H”形狭缝的共振频率主要依赖于狭缝的平均周长,而对其形状细节不敏感,这一现象可以利用等离子体驻波共振机制来解释,论文给出了共振频率依赖狭缝平均周长的解析表达式,发现它们成严格的反比例关系,实验结果验证了这一理论的正确性。这为精确快速设计太赫兹波段滤波器件提供了理论依据。
　　研究了亚波长金属“H”形狭缝的对称破坏对太赫兹波振幅的调制作用。数值模拟和实验结果发现,在破坏“H”形结构对称性的过程中,即由“H”形结构逐步向“U”形结构转变,第二级次共振峰开始出现并逐渐增强,但共振峰的位置几乎不变,当到达“U”形结构时,第二级次共振峰的透过率达到最大,调制深度高达98.7％。进一步研究揭示表面等离子体分布既要满足驻波共振条件又要满足结构要求的对称条件,才可以得到共振透射增强。数值模拟结果很好地验证了这一假设。这为设计太赫兹波段滤波器件提供了新的自由度。
　　研究了亚波长金属“V”形狭缝对太赫兹波相位的调制作用,以“V”形狭缝作为界面相位调制单元,设计了三种太赫兹超薄平面元件—柱透镜、球透镜和相位全息。与传统体光学元件相比,这些平面元件利用100nm(工作波长的1/4000)厚的金属“V”形狭缝阵列实现对太赫兹波的波前调制。实验证实了所设计的平面透镜表现出良好的聚焦和成像功能,相位全息元件也凸现出良好的图像重建能力。这一研究成果在很大程度上减小了太赫兹元件的体积,有利于太赫兹系统的小型化和集成化。同时,这种方法为设计其它类型和其它波段的光学元件提供了依据。
　　研究了太赫兹器件的动态调制功能。利用光泵浦—太赫兹探测时域光谱技术研究了以硅为衬底的亚波长金属“U”形狭缝阵列对太赫兹波的动态调制/关作用。通过改变泵浦光的功率来调谐衬底硅的介电性质,实现了多波长太赫兹波的动态调制;通过改变泵浦光与太赫兹波的相对时间延迟来调谐衬底硅的介电性质,实现了皮秒量级的多波长太赫兹波的动态关。利用光泵浦—太赫兹焦平面成像技术研究了平面透镜光场的动态调制功能。通过改变泵浦光功率来调谐衬底硅的介电性质,控制了“V”形狭缝的相位调制,进而实现了平面透镜焦平面光场的动态调制。

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第1章 绪论

1.1 太赫兹辐射

1.2 表面等离子体激元

1.3 基于表面等离子激元的亚波长金属狭缝结构在太赫兹波段

1.4 本论文的主要研究内容

第2章 周期性亚波长金属环形狭缝阵列对太赫兹波振幅的调制

2.1 引言

2.2 太赫兹时域光谱系统

2.3 高阻硅在太赫兹波段的光学性质

2.4 周期性亚波长金属“H”形环形狭缝阵列的设计

2.5 周期性亚波长金属环形狭缝阵列对太赫兹波振幅的调制

2.6 论证等离子体驻波共振模型

2.7 本章小结

第3章 周期性亚波长金属狭缝的对称破坏引起的透射增强

3.1 引言

3.2 周期性亚波长金属“H”形狭缝阵列的设计

3.3 周期性亚波长金属“H”形狭缝的对称破坏对太赫兹波振幅

3.4 数值模拟结果

3.5 周期性亚波长金属“十”字形狭缝阵列对称破坏对太赫兹

3.6 本章小结

第4章 超薄太赫兹平板元件设计

4.1 引言

4.2 超薄太赫兹平板元件的设计

4.3 实验测试

4.4 本章小结

第5章 基于金属狭缝结构太赫兹器件的动态调制

5.1 引言

5.2 金属“U”形狭缝阵列对太赫兹波振幅的动态调制/关

5.3 超薄平板透镜焦平面光场的动态调制

5.4 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他成果

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