本文選題：太赫茲 + 主動調(diào)控��； 參考：《中國科學技術(shù)大學》2017年博士論文

【摘要】：太赫茲波段處于低能量的電子學和高能量的光子學之間的過渡地帶,是最后一段被人類了解和認識的電磁波波段,也是目前公認的具備很多優(yōu)良特性的波段。太赫茲輻射的產(chǎn)生,傳輸,調(diào)控和探測構(gòu)成了太赫茲科學這門新型科學的關(guān)鍵技術(shù),在高速寬帶通信,國防安全,醫(yī)療診斷,材料研發(fā)等多個領(lǐng)域具有重要的應用價值。然而,由于太赫茲光子的能量較低,很多物質(zhì)對于太赫茲光的響應十分微弱,致使太赫茲功能器件的研究和發(fā)展仍然相對滯后,高效、主動的太赫茲器件仍然十分匱乏。同時,太赫茲的產(chǎn)生-測量系統(tǒng),作為太赫茲應用系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分,仍然有很多的不完善;在前沿研究領(lǐng)域,自行搭建高性能參數(shù)、可擴展性強的太赫茲產(chǎn)生-測量系統(tǒng)是必要的選擇。本論文首先在太赫茲主動功能器件方面進行了探索,提出了一種新穎的主動調(diào)控太赫茲波的方法,設(shè)計并驗證了應用該方法調(diào)制太赫茲輻射的器件的性能;然后系統(tǒng)地開展了太赫茲產(chǎn)生-測量系統(tǒng)的設(shè)計和搭建工作,并利用該系統(tǒng)針對一些氧化物功能材料開展了相關(guān)的研究。本論文的具體研究內(nèi)容如下:1.提出了一種基于石墨烯的利用外加磁場和柵極電場來主動調(diào)控太赫茲波的新穎方法。該方法從石墨烯在磁場下不均勻分布的郎道能級入手,通過柵極電場的方式調(diào)控朗道能級間的光學躍遷,進而可以選擇性地吸收不同頻率的太赫茲光子。這樣,通過主動地選擇不同強度的磁場和柵極電場的組合,基于該方法的器件就可以靈活的針對不同頻率的太赫茲波進行主動調(diào)制,在頻率選擇上擁有的自由度極高。2.在基于石墨烯的雙外場主動調(diào)控太赫茲方法的基礎(chǔ)上,提出了一種平板型太赫茲主動調(diào)控原型器件。數(shù)值仿真的結(jié)果顯示,該原型器件在雙外場下具有非常優(yōu)異的調(diào)制性能,可在四個獨立的頻率通道上主動調(diào)制太赫茲光的振幅,調(diào)制深度高達35dB。同時,在不同的通道間切換所需的能量最低低至1OmeV,驗證了我們提出的這種新穎的太赫茲波主動調(diào)制方法還具有非常高的調(diào)制效率的優(yōu)點。3.通過引入表面等離激元的近場增強效應,在基于石墨烯的透射式雙外場主動太赫茲調(diào)制器件中,顯著地增強了器件對于透射太赫茲輻射的調(diào)制效果。在該透射式主動太赫茲調(diào)制器中,通過將互補開口環(huán)陣列(CSRRs)嵌入到器件柵極電容層的下方,將入射太赫茲波的能量局域在石墨烯層和CSRRs層之間,極大的增強了石墨烯與太赫茲電磁場相互作用的強度,從而顯著地增強了器件的調(diào)制深度。數(shù)值仿真的結(jié)果顯示,該主動器件在雙外場的控制下對透射太赫茲波的振幅調(diào)制深度高達95.1%。進一步的分析顯示,該方法也可以針對太赫茲光的偏振進行主動調(diào)制,通過合適強度的磁場和柵極電場搭配,可以將入射的線偏振太赫茲光調(diào)制為圓偏振出射的太赫茲光。4.實驗方面,搭建了兩套基于不同原理的太赫茲時域光譜測量系統(tǒng)。其中,基于光電導天線的太赫茲時域光譜系統(tǒng)具有大帶寬、高信噪比、高穩(wěn)定性等特點:整套系統(tǒng)工作在0.1到4.8THz波段、時域峰值與噪聲的比值高達30000:1、單次掃描的動態(tài)范圍達到90dB、頻域分辨率達到5GHz。與文獻中報導的各類TDS相比,該套系統(tǒng)均達到了先進水平。另一套基于非線性效應的太赫茲時域光譜測量系統(tǒng)則具有高可擴展性、高太赫茲脈沖能量等特點,能在下一步的研究中通過更換非線性晶體實現(xiàn)更寬的頻譜覆蓋,以及亞mJ級的太赫茲脈沖。此外,這兩套系統(tǒng)均通過協(xié)同控制步進電機和鎖相放大器的內(nèi)部參數(shù),為不同的測量場合實現(xiàn)了不同的掃描方式:快速掃描可以在2s的時間內(nèi)迅速給出太赫茲時域光譜,而精細掃描則能最高以30000:1的信噪比和5GHz的頻譜分辨率給出精細的太赫茲時域光譜。5.利用太赫茲時域光譜測量系統(tǒng)對一些典型的鈣鈦礦和層狀鈣鈦礦氧化物進行了太赫茲波段的光學表征,通過對這些材料的太赫茲波段介電特性的測量、分析、理解和積累,為以后更加深入的參量復合量子功能材料的研發(fā)、高通量近場物性表征等方向的研究打下了扎實的基礎(chǔ)。特別的,發(fā)現(xiàn)了 La0.7Sr0.3MnO3薄膜在太赫茲波段下所兼具的高透過率和高導電性的特點,使其可以被應用為太赫茲科學技術(shù)中一種新型的透明導電薄膜電極材料。6.應用自主加工的溫控臺將太赫茲時域光譜系統(tǒng)升級為原位變溫太赫茲時域光譜系統(tǒng),可精確控溫到0.2℃;并利用該系統(tǒng)測量了變溫條件下VO2/Al203外延薄膜的太赫茲時域光譜,對VO2的相變行為進行了簡單的分析和討論;同時,利用VO2的金屬-絕緣體相變特性,在溫度場的調(diào)控下,對太赫茲光進行主動振幅調(diào)制,實現(xiàn)了高達84.6%的調(diào)制深度。7.應用動態(tài)孔徑近場成像方法改建了太赫茲時域光譜測量系統(tǒng),使得我們的太赫茲時域光譜系統(tǒng)獲得了超衍射極限的空間分辨成像能力;通過利用該系統(tǒng)表征光電導天線表面的天線結(jié)構(gòu),獲得了水平方向40微米,約為λ/8的近場掃描圖像,證實了這套系統(tǒng)在亞波長尺度上的成像能力。特別的,設(shè)計并加工了基于超薄銀膜的無泵浦吸收地可見光/太赫茲光雙色分束鏡,可以在反射可見光的同時無泵浦吸收的透過太赫茲光。該雙色分束鏡在動態(tài)孔徑太赫茲近場成像系統(tǒng)中扮演了關(guān)鍵的角色。
[Abstract]:In this paper , a novel method for actively controlling terahertz wave based on graphene is proposed , which is based on the field of high - speed broadband communication , national defense security , medical diagnosis and material development . A terahertz time - domain spectral measurement system based on different principles is presented in this paper . The terahertz time - domain spectroscopy system based on the nonlinear effect has the characteristics of large bandwidth , high signal - to - noise ratio , high stability and the like .
【學位授予單位】：中國科學技術(shù)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：O441.4

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本文編號：2027451