基于超材料的可调谐太赫兹波吸收器的研究

摘要

自从2008年W. J. Padilla提出超材料吸收器，在最近几年内，各式各样超材料吸收器层出不穷，超材料吸收器的性能得到极大提高。此外，基于超材料吸收器的应用也逐渐受到国内外关住，如压缩感知成像、频率选择性热发射器、探测器以及传感器等。本论文首先分析了超材料吸收器的理论模型，然后研究了几种新型的可调谐超材料吸收器。主要研究内容如下：
　　(1)研究了两种基于石墨烯的可调谐超材料吸收器。在近红外波段，利用石墨烯的介电常数在140THz-240THz频段内随着费米能级变化的突变性，结合超材料椭圆阵列实现了两个吸收峰的中心吸收频率的调谐，并利用阻抗匹配理论解释了调谐的物理本质；在太赫兹波段，通过设计石墨烯圆盘阵列提出一种新型的幅值可调谐超材料吸收器，并利用石墨烯在太赫兹波段这种特殊性质成功实现了高达137％的调制深度。
　　(2)对传统的方形环上存在的一种新的共振模式进行了研究，并利用该共振模式和原有的共振模式设计了一种新型的双带超材料吸收器。同时，利用钛酸锶的介电常数在0.1-0.5THz频率范围内具有色散小、切向损耗低以及随温度升高而急剧减小的特点，用钛酸锶替换了常用的中间介质层材料，提出了一种温控的频率可调谐的双带吸收器，并用等效介质理论对吸收频率的调谐做出了很好的解释。
　　(3)对于传统的多个方形环超材料吸收器结构，分析了金属材料为完美电导体和金属材料为铝的情况下，每个单独的方形环吸收器的共振特性以及组合而成的同心三环的共振特性。然后提出了一种基于半导体硅的吸收可开关的超材料吸收器，该吸收器可以通过改变内嵌在两个金属方形环之间的硅的电导率来实现两个金属环之间的动态耦合，从而控制两个吸收峰的开关以及实现从两个吸收峰到一个吸收峰的切换，在两环结构的基础上，又提出了三环结构，并顺利实现了三个吸收峰的开关。

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1 绪论

1.1 太赫兹波简介

1.2 超材料吸收器

1.3 论文的研究内容及创新点

2 超材料吸收器的理论模型

2.1 等效介质模型

2.2 干涉理论模型

2.3 传输线模型

2.4 本章小结

3 基于石墨烯的可调谐超材料吸收器

3.1 石墨烯的基本性质

3.2 基于石墨烯的双带可调谐超材料吸收器(近红外波段)

3.3 基于石墨烯的幅值可调谐超材料吸收器(太赫兹波段)

3.4 本章小结

4 基于铁电体的可调谐超材料收器

4.1 铁电体的简介

4.2 基于钛酸锶的单频可调谐完美吸收器

4.3 基于钛酸锶的双带可调谐完美吸收器

4.4 本章小结

5 基于半导体硅的可调谐超材料吸收器

5.1 基于半导体材料的超材料功能器件的简介

5.2 基于半导体Si的吸收可切换的超材料吸收器

5.3 本章小结

6 总结和展望

6.1 全文总结

6.2 未来工作展望

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间发表的主要论文