發(fā)布時間：2017-12-25 05:26

  本文關(guān)鍵詞：超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與太赫茲波調(diào)控　出處：《南京大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：太赫茲技術(shù)由于其在安全檢測、醫(yī)學(xué)成像、無線寬帶通信及物質(zhì)鑒別等領(lǐng)域的重要應(yīng)用前景,近些年來已逐漸成為研究的熱點。在之前很久的一段時期內(nèi),由于自然界中幾乎不存在對太赫茲波有理想電磁響應(yīng)的物質(zhì),因而太赫茲波段發(fā)射源、探測器、透鏡、開關(guān)、濾波片等功能器件的制備也一直發(fā)展緩慢。而這些功能器件都是最終實現(xiàn)太赫茲技術(shù)應(yīng)用所必不可少的部分,所以太赫茲波段又被稱為“太赫茲空隙”,即技術(shù)發(fā)展中的空白部分。近二十年來,隨著以量子級聯(lián)激光器為代表的太赫茲發(fā)射源的研制成功,以及利用天線結(jié)構(gòu)制備太赫茲探測器技術(shù)的逐漸成熟,在推動太赫茲技術(shù)研究巨大進步的同時,也對太赫茲開關(guān)、偏振片、透鏡等具有太赫茲控制、調(diào)制功能器件的發(fā)展和制備提出了急切的要求。通過人工設(shè)計制備、具有可調(diào)電磁特性的超材料的出現(xiàn),剛好解決了太赫茲波段功能材料缺乏的問題。由于理論上這些超材料可以通過設(shè)計實現(xiàn)對于任意波段的電磁響應(yīng),所以基于超材料設(shè)計太赫茲波段功能材料和器件是一個極具潛力的技術(shù)路徑,將可以實現(xiàn)天然物質(zhì)很難實現(xiàn)的對于太赫茲波的控制和處理。本篇論文將主要介紹如何基于超材料,實現(xiàn)對太赫茲波振幅與偏振狀態(tài)的有效調(diào)控,具體研究內(nèi)容如下：1.由于超材料結(jié)構(gòu)的共振特性可以通過外部激勵來控制,如施加光照、電場、磁場、溫度或者機械應(yīng)力等,所以,經(jīng)過這些超材料透射的太赫茲波的振幅、相位、頻率等參數(shù)都可以通過改變這些外部激勵來實現(xiàn)主動式控制。這樣一來,制備具有可調(diào)諧共振特性的超材料對于提高太赫茲系統(tǒng)的功能性和靈活性就具有非常重要的意義。然而,太赫茲技術(shù)領(lǐng)域長期以來面對的一個問題就是如何制備大面積、高均勻性的太赫茲主動式超材料,以實現(xiàn)對太赫茲波更高效、更精確的控制。本部分工作中,一類基于增強型非晶氧化物薄膜場晶體管制備的主動式太赫茲超材料被提出并得以實驗證實。使用全波技術(shù)進行的模型分析和基于多極子理論進行的模擬計算所得結(jié)果都與實驗所測得的結(jié)果具有很好的一致性。通過理論分析可知所設(shè)計的薄膜晶體管結(jié)構(gòu)是通過電響應(yīng)與入射電磁波在0.75THz處產(chǎn)生耦合共振的。且可以通過施加外部電場調(diào)節(jié)晶體管的溝道導(dǎo)電性來實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)共振特性的控制。這樣一種基于非晶氧化物薄膜晶體管制備的太赫茲超材料,具有低工作能耗、低制備成本、大面積均勻制備以及與傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝兼容等優(yōu)勢,從而非常有望在未來太赫茲顯示、傳感、通信等技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。2.對于太赫茲偏振狀態(tài)的調(diào)控是太赫茲領(lǐng)域內(nèi)非常重要的一項技術(shù),不僅是具有偏振依賴特性太赫茲功能器件的需求,也是太赫茲技術(shù)在顯示、成像領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用的必要前提。另一方面,太赫茲在未來無線通信領(lǐng)域內(nèi)的編碼及信息處理中的應(yīng)用也必須解決對于太赫茲偏振態(tài)的調(diào)控。然而,自然界中缺乏對于太赫茲波段具有理想手性特征的天然材料,因而實現(xiàn)太赫茲偏振態(tài)的旋轉(zhuǎn),尤其是非對稱旋轉(zhuǎn)就顯得非常困難。在第二部分工作的介紹中,基于兩層金屬結(jié)構(gòu)制備了具有三維手性特征的超材料,實現(xiàn)了對于太赫茲線性偏振態(tài)較強的非對稱旋轉(zhuǎn),并首次成功進行了對于太赫茲兩個線性偏振態(tài)之間控制非的邏輯運算。這樣的一種太赫茲偏振旋轉(zhuǎn)器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計在可靠、穩(wěn)定、低損耗太赫茲偏振控制和處理的應(yīng)用中非常具有發(fā)展?jié)摿�。同時,利用三維手性材料中偏振態(tài)的非對稱旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)電磁波偏振態(tài)之間邏輯運算的方案,也為未來光學(xué)波段超級計算的實現(xiàn)提供了可以借鑒的技術(shù)思路。
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TN761;O441.4

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本文編號：1331552