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基于表面等离子体共振的太赫兹功能器件研究

2020-12-02阅读(857)

基于表面等离子体共振的太赫兹功能器件研究

论文摘要

随着太赫兹技术的飞速发展,太赫兹波的许多优异特性被发现并在多个领域展现出了巨大的应用价值。然而相对于太赫兹源与探测技术的快速发展,太赫兹频段功能器件相关技术的发展比较缓慢,制约了太赫兹技术的广泛应用。因此,对太赫兹频段功能器件的研究具有重要意义。表面等离子体共振（SPR）具有独特的性质,包括增强透射效应与近场增强效应。利用增强透射效应可以使特定频率的太赫兹波以极高的透射率通过周期性亚波长阵列结构;利用近场增强效应则可以提高太赫兹波与物质的相互作用,从而提升器件的性能。利用SPR的这两个效应,可以促进太赫兹频段功能器件的研究与发展。本文基于金属SPR与石墨烯SPR开展了太赫兹频段功能器件的研究,主要研究内容及创新点包括:（1）设计了一种基于周期性圆形环孔金属-介质-金属（MDM）结构的太赫兹双窄带带通滤波器。详细研究了传播性表面等离子体共振（PSPR）与局域性表面等离子体共振（LSPR）在该结构两个窄通带透射峰中所发挥的作用及结构参数对两个窄通带透射峰透射特性的影响等。基于理论与仿真分析结果,设计并加工了实验样品,实验测得在中心频率为0.293 THz和0.323 THz的两个窄通带的Q值分别可达20.9和40.4,高于相关论文中报道的结果。（2）提出了基于Si-MDM结构的太赫兹调制方案。通过将圆形环孔MDM结构与硅片相结合,利用圆形环孔MDM结构中激发的SPR的近场增强效应提高了太赫兹波与硅片的相互作用,从而提升了基于硅片光电导效应的太赫兹调制方案的调制性能。仿真结果显示,Si-MDM结构在频率为0.302 THz和0.324 THz的调制深度分别可达60%与97%,远高于单硅片17%的调制深度。实验测得Si-MDM结构在频率为0.306 THz的调制深度为63%,而单硅片的调制深度仅为49%,验证了 Si-MDM结构用于太赫兹调制的可行性。（3）利用LSPR与PSPR的不同性质,设计了一种基于矩形环孔MDM结构的太赫兹偏振滤波器。基于大量仿真结果,分析了各参数对该结构偏振滤波特性的影响。结合现有的实验测试条件,设计并加工了实验样品,实验测得在频率为0.347THz的消光比可达16.4 dB。不同于以往的线栅结构,该结构同时具有选偏振特性和选频率特性,对太赫兹技术的发展具有重要意义。（4）提出了自偏置带孔石墨烯结构,并研究了基于该结构的太赫兹功能器件。理论及仿真分析了自偏置带孔石墨烯结构在太赫兹频段的透射特性及石墨烯材料参数、结构参数等对该结构透射特性的影响。对基于该结构的太赫兹功能器件进行了仿真研究,包括:太赫兹窄带带阻滤波器（Q值可达58.6）、太赫兹调制器（调制深度可达98.04%）、折射率传感器（灵敏度大于1.5THz/RIU）以及偏振滤波器（消光比可达16.6dB）。

论文目录

  • 致谢
  • 摘要
  • Abstract
  • 英汉缩略语表
  • 符号表
  • 第1章 绪论
  •   1.1 太赫兹技术简介
  •   1.2 太赫兹实验系统简介
  •     1.2.1 太赫兹源与探测技术
  •     1.2.2 太赫兹时域光谱系统
  •     1.2.3 太赫兹返波管系统
  •     1.2.4 太赫兹耿氏管系统
  •   1.3 金属表面等离子体共振的研究进展
  •     1.3.1 PSPR的研究进展
  •     1.3.2 LSPR的研究进展
  •   1.4 石墨烯表面等离子体共振的研究进展
  •   1.5 选题意义、研究内容与章节安排
  •     1.5.1 选题意义
  •     1.5.2 研究内容
  •     1.5.3 章节安排
  • 第2章 金属在太赫兹频段的材料特性及表面等离子体共振特性
  •   2.1 引言
  •   2.2 金属在太赫兹频段的材料特性
  •   2.3 金属表面等离子体共振的基本理论
  •     2.3.1 PSPR的基本理论
  •     2.3.2 LSPR的基本理论
  •   2.4 电磁仿真软件及数值计算方法
  •   2.5 本章小结
  • 第3章 基于金属表面等离子体共振的太赫兹功能器件研究
  •   3.1 引言
  •   3.2 基于圆形环孔MDM结构的太赫兹窄带带通滤波器研究
  •     3.2.1 圆形环孔MDM基本结构
  •     3.2.2 使用THz-TDS系统提取材料的复折射率
  •     3.2.3 圆形环孔MDM结构透射特性的仿真分析
  •     3.2.4 参数变化对圆形环孔MDM结构透射特性的影响
  •     3.2.5 圆形环孔MDM结构的加工与测试
  •   3.3 基于Si-MDM结构的太赫兹调制技术研究
  •     3.3.1 Si-MDM基本结构
  •     3.3.2 半导体光电导效应简介及硅片复折射率的提取
  •     3.3.3 Si-MDM结构的仿真及参数影响分析
  •     3.3.4 实验验证
  •   3.4 基于矩形环孔MDM结构的太赫兹偏振滤波技术研究
  •     3.4.1 矩形环孔MDM基本结构
  •     3.4.2 矩形环孔MDM结构的仿真及参数影响分析
  •     3.4.3 矩形环孔MDM结构的加工及测试
  •   3.5 本章小结
  • 第4章 石墨烯在太赫兹频段的材料特性及表面等离子体共振特性
  •   4.1 引言
  •   4.2 石墨烯在太赫兹频段的材料特性
  •     4.2.1 石墨烯的电导率及介电常数
  •     4.2.2 石墨烯在太赫兹频段的Drude模型
  •     4.2.3 石墨烯电磁特性的调控方法
  •   4.3 基于石墨烯材料的太赫兹功能器件介绍
  •   4.4 石墨烯表面等离子体共振的基本理论
  •   4.5 本章小结
  • 第5章 基于石墨烯表面等离子体共振的太赫兹功能器件研究
  •   5.1 引言
  •   5.2 基于自偏置带孔石墨烯结构的太赫兹窄带带阻滤波器研究
  •     5.2.1 自偏置带孔石墨烯基本结构
  •     5.2.2 自偏置带孔石墨烯结构透射特性的仿真分析
  •   5.3 自偏置带孔石墨烯结构的扩展应用
  •   5.4 本章小结
  • 第6章 总结与展望
  • 参考文献
  • 个人简历及在校期间取得的科研成果

    • 文章来源

    类型: 博士论文

    作者: 汪伟

    导师: 杨冬晓

    关键词: 太赫兹,功能器件,表面等离子体共振,周期性结构,金属,石墨烯

    来源: 浙江大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

    专业: 物理学,材料科学,无线电电子学,无线电电子学

    单位: 浙江大学

    分类号: TN713.5;O441.4;TB34

    DOI: 10.27461/d.cnki.gzjdx.2019.000019

    总页数: 119

    文件大小: 12726K

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