基于氧化钒的中红外贴片天线调谐特性研究

摘要

可调谐光学天线对于中红外波的振幅和相位具有动态调控功能，对于发展可重构新型光电器件具有重要意义，在中红外调制、探测等领域具有广阔应用前景。本论文将氧化钒相变材料引入到光学贴片天线，研制了可调谐中红外天线器件，取得了在中心频率处达到10％的共振模式频率范围和高达47.3%的吸收调制幅度，为实现中红外波的调控提供了一种新方法。论文取得的创新研究成果包括：利用有限元仿真软件对天线结构进行仿真计算，设计出具有金圆盘贴片天线阵列-二氧化钒相变介质层-二氧化硅缓冲层-铜衬底的层状贴片天线结构、以二氧化钒为调谐功能材料的中红外温控调谐光学天线，进而运用微纳加工技术手段制备出该天线结构样品。在傅里叶变换红外光谱（FTIR）测试中，实验观察到该天线器件在TM入射光以15°角入射情况下，20THz~50THz频段内具有23.6THz、33.5THz以及47.3THz三个主要的天线共振峰。通过将实验结果与仿真模型进行对照，本文发现23.6THz和47.3THz处的吸收峰分别是贴片天线的TM11模式和TM12模式，而位于33.5THz处的吸收峰在本质上是相邻贴片金圆盘之间的缝隙模式。在温度变化过程中，该光学天线样品在中红外频段实现了295K~365K温度范围内的连续调谐功能，并观察到天线吸收峰在温度升高时向长波方向移动，温度降低则吸收峰蓝移。其中TM12吸收峰的调谐范围最大可达4THz，吸收率最高达到81.6%，具备较宽的调谐范围和良好的吸收率。在进一步升-降温调谐测试中，实验观察到了天线吸收峰频率在340K温度附近的滞回线效应，这一特性证明了天线的调谐性质是来自二氧化钒相变过程。另外，经过对天线样品的SEM、XRD及XPS等材料性能测试，发现了天线内部二氧化钒不纯的证据以及天线表面贴片的不规则，从材料与器件尺寸的角度上解释了天线样品吸收曲线测试结果与仿真模型之间所存在的差异，同时为后续的设计与优化指明了方向。本文研制的可调谐中红外天线器件拓展了氧化钒相变材料在红外光学波段的器件应用，为中红外波的动态调控提出了创新性解决方案。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 中红外波段光学天线调谐功能研究背景

1.3 氧化钒调谐红外光学天线

1.4 本论文的研究意义和主要内容

第二章 二氧化钒中红外温控调谐光学天线的设计原理

2.1 光学天线原理介绍

2.2 二氧化钒材料相变特性

2.3 本章小结

第三章 二氧化钒中红外光学天线仿真模型设计

3.1 有限元设计方法与仿真工具

3.2 天线仿真模型的基本结构设计

3.3 仿真模型中材料光学参数的选取

3.4 天线尺寸设计及调谐功能仿真

3.5 本章小结

第四章 天线样品实验制备过程

4.1 实验流程简述

4.2 实验工艺及具体过程

4.3 本章小结

第五章 天线样品测试与分析

5.1 天线调谐功能测试

5.2 天线样品材料性质分析

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

致谢

参考文献

在学期间取得的研究成果