激光转印法太赫兹波段超材料制备及谐振器研究

摘要

超材料是一种由亚波长的金属结构单元组成的人工电磁材料。与自然材料不同,超材料可以通过调整器件单元结构实现预期的电磁特性,可广泛应用于负折射、电磁隐身、电磁诱导透明等领域。近年来,随着太赫兹技术的发展,基于超材料的太赫兹波器件,特别是太赫兹超材料类电磁诱导透明(EIT)谐振器的研究逐渐成为热点,该类谐振器在非线性光学、慢光、光存储、生物化学传感等领域有着广泛的应用前景。
　　本文设计研究了几种超材料太赫兹波段类电磁诱导透明谐振器。利用三维全波仿真软件CST对谐振器透射性能进行了数值模拟,并利用太赫兹时域光谱系统对制作的谐振器件进行了性能测试。另外,超材料太赫兹器件目前主要采用光刻技术来制备,另外一些新兴技术,如激光诱导和化学镀铜技术、喷墨打印技术和激光转印技术等国际上也有一些报道。我们对将激光转印技术用于太赫兹波超材料制备进行了实验研究。论文的主要研究工作如下:
　　(1)研究了利用激光转印技术制备超材料太赫兹波器件,该制备方法成本低、工艺简单、能灵活加工任意形状的微金属结构。主要工作包括激光转印法超材料制备系统的设计和实验搭建、器件制备工艺研究。目前,我们已实验初步获得了微米级金属微结构单元,通过制备系统的进一步改进,有望用于太赫兹超材料制备。
　　(2)设计制备了一种基于两个边长不同的方形半环组合而成的太赫兹波类电磁诱导透明谐振器,并利用 CST和 THz-TDS对该谐振器透射性能进行了数值模拟和实验测试。结果表明:当入射电场垂直于两个半环的间隙方向时,谐振器在0.1-0.6THz范围内产生一个类EIT透射峰,该透射峰是由入射场激发的反相表面电流使器件对入射场耦合作用减弱引起的;当电场平行于两个半环的间隙方向时,该谐振器在0.5-0.9THz范围内有两个EIT谐振峰,两个透射峰都是由于入射场激发的非对称电流的干涉作用抑制了散射场而产生的。数值仿真了该谐振器透射性能与其单元尺寸的关系,结果表明线宽变化对该谐振器EIT透射性能影响较大,半环间距和金属厚度改变对谐振器性能影响则较小。
　　(3)理论和实验研究了一种由开口环(SR)和双金属线(CW)组合的具有类电磁诱导透明(EIT)效应的SR/CW太赫兹谐振器。分别对由单侧开口和双侧开口谐振环的SR/CW谐振器特性进行了仿真,并分析了开口环在结构单元中位置的变化对谐振峰强度和 Q值的影响。结果表明,两个谐振器在0.7THz附近的谐振峰是由开口环 LC谐振和双金属线偶极谐振干涉相消引起的。开口环位置变化对单侧开口环的 SR/CW结构谐振峰强度和Q值影响较大,而对双侧开口环的SR/CW谐振器的影响则很小。利用激光诱导与化学镀铜技术制备了SR/CW谐振器样品,并利用 THz-TDS对器件进行了透射性能测试,测试结果与仿真分析基本相符。

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表清单

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 超材料技术与应用

1.3 太赫兹超材料谐振器研究进展

1.4 太赫兹超材料制备方法

1.5 论文章节安排

2 激光转印法超材料制备系统硬件设计

2.1 引言

2.2 系统设计原理与基本结构

2.3 系统核心部件DMD

2.4 硬件设计与性能分析

2.5 小结

3 激光转印法超材料制备系统工艺研究

3.1 引言

3.2 导电浆料选择

3.3 匀浆工艺分析

3.4 待加工单元制作

3.5 样品制备步骤与结果分析

3.6 小结

4 一种基于非对称半环的太赫兹类EIT谐振器

4.1 引言

4.2 AHR谐振器的设计与制备

4.3 谐振器性能测试与分析

4.4 表面电流分布分析

4.5 数值模拟分析

4.6 小结

5 一种基于SRR和金属线的太赫兹类EIT谐振器

5.1 引言

5.2 SR/CW结构单元设计

5.3 谐振器仿真分析

5.4 谐振器实验结果

5.5 小结

6 总结与展望

6.1总结

6.2 展望

参考文献

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