本文關(guān)鍵詞：可調(diào)控微結(jié)構(gòu)太赫茲功能器件的研究

  更多相關(guān)文章： 太赫茲波 光子晶體 表面等離子體 可調(diào)控器件 磁光器件

【摘要】：近年來(lái)隨著太赫茲(THz,1THz=1012Hz)輻射源和探測(cè)技術(shù)的突破,THz波的優(yōu)越特性顯示出巨大的應(yīng)用前景,而THz技術(shù)的廣泛應(yīng)用離不開THz功能器件的支撐。人工電磁微結(jié)構(gòu)材料的興起為發(fā)展THz功能器件提供了新的機(jī)遇,THz微結(jié)構(gòu)功能器件的研究已成為THz器件的主要發(fā)展趨勢(shì),并成為THz領(lǐng)域的重要研究前沿之一。 本文在總結(jié)國(guó)內(nèi)外THz微結(jié)構(gòu)功能器件研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上,在理論和實(shí)驗(yàn)上研究了多種基于光子晶體和表面等離子體的新型THz可調(diào)濾波、調(diào)制、隔離和傳感器件。本文對(duì)THz功能器件中涉及到的THz材料性質(zhì)、器件傳輸與調(diào)控的物理機(jī)制、微結(jié)構(gòu)器件設(shè)計(jì)、仿真、加工和實(shí)驗(yàn)測(cè)試等一系列科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了研究,其中代表性創(chuàng)新成果總結(jié)如下： 1.提出了THz相變光子晶體可調(diào)控器件的概念、理論及制備方法,并進(jìn)行加工和實(shí)驗(yàn)測(cè)試,首次在實(shí)驗(yàn)上用同一微結(jié)構(gòu)器件獲得了介質(zhì)光子晶體、金屬光子晶體和表面等離子體陣列三種不同機(jī)理的人工電磁微結(jié)構(gòu),并通過(guò)不同的光場(chǎng)調(diào)控方式實(shí)現(xiàn)了它們之間的相互轉(zhuǎn)換和對(duì)THz波的強(qiáng)度調(diào)制,器件振幅調(diào)制深度達(dá)70%。。 2.設(shè)計(jì)并加工了雙肖特基柵陣表面等離子體THz調(diào)制器,實(shí)驗(yàn)上通過(guò)電場(chǎng)調(diào)控實(shí)現(xiàn)了THz波調(diào)制,發(fā)現(xiàn)了器件在正偏壓下的諧振頻率跳變和負(fù)偏壓下的諧振頻率平移兩種不同的調(diào)制行為,在15V電壓下獲得大于15dB的強(qiáng)度調(diào)制；通過(guò)數(shù)值模擬研究了不同偏壓對(duì)器件的兩種肖特基勢(shì)壘中載流子分布的空間調(diào)制,以及由此引起的對(duì)應(yīng)光子帶隙的產(chǎn)生和移動(dòng)過(guò)程,揭示了一種基于雙光子帶隙系統(tǒng)的THz表面等離子體調(diào)控的新機(jī)制。 3.在對(duì)旋磁和旋電材料的THz磁光效應(yīng)研究的基礎(chǔ)上,對(duì)THz磁光微結(jié)構(gòu)器件中磁場(chǎng)調(diào)控和THz單向傳輸機(jī)理進(jìn)行了深入研究。提出了基于THz磁光子晶體的寬帶磁可調(diào)諧濾波器和偏振控制器,并進(jìn)一步提出了磁-硅光子晶體微腔環(huán)形器、周期性金屬-磁光表面等離子體波導(dǎo)隔離器和金屬-磁光表面等離子體透鏡三種可調(diào)控THz非互易器件,隔離度均超過(guò)60dB。在理論上明確了材料的THz磁光效應(yīng)和系統(tǒng)的非對(duì)稱性是形成THz波非互易傳輸?shù)膬蓚�(gè)必要條件,人工磁光微結(jié)構(gòu)所致的磁等離子體模式的磁光分裂效應(yīng)在THz波非互易傳輸和增強(qiáng)上起到了關(guān)鍵作用。 4.在實(shí)驗(yàn)和理論上觀測(cè)并成功解釋了THz波垂直入射光子晶體柱陣列結(jié)構(gòu)時(shí)的導(dǎo)模諧振效應(yīng),揭示了該導(dǎo)模諧振與光子帶隙的對(duì)應(yīng)關(guān)系,建立了該諧振的有效介質(zhì)理論和諧振模型,并結(jié)合實(shí)驗(yàn)證實(shí)了導(dǎo)模諧振的對(duì)稱與非對(duì)稱譜線線型間的內(nèi)在關(guān)系與相互轉(zhuǎn)化規(guī)律�；诖诵�(yīng),在實(shí)驗(yàn)上利用THz光子晶體實(shí)現(xiàn)了微量流體的定性檢測(cè)和實(shí)時(shí)定量傳感,定量傳感精度達(dá)10-5ml/mm2量級(jí)。 5.系統(tǒng)地研究了不同濃度的有機(jī)載液磁流體在THz波段光學(xué)性質(zhì)和橫向磁光效應(yīng),發(fā)現(xiàn)了磁流體在THz波段折射率和吸收與磁納米粒子濃度的關(guān)系和磁致雙折射效應(yīng)。通過(guò)THz光子晶體填充磁流體的方式構(gòu)成磁光微結(jié)構(gòu)器件,從實(shí)驗(yàn)和理論上論證了該器件在THz波段的磁致導(dǎo)模諧振分裂和相干誘導(dǎo)透明效應(yīng),實(shí)現(xiàn)了外磁場(chǎng)對(duì)THz波的主動(dòng)調(diào)控,并利用該器件實(shí)現(xiàn)了THz波對(duì)外磁場(chǎng)的傳感檢測(cè),調(diào)制深度達(dá)到25dB,傳感靈敏度達(dá)1mT/GHz.
【關(guān)鍵詞】：太赫茲波 光子晶體 表面等離子體 可調(diào)控器件 磁光器件
【學(xué)位授予單位】：南開大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：O441.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第一章 緒論13-28
• 第一節(jié) THz技術(shù)概述13-17
• 1.1.1 THz波的波譜位置13
• 1.1.2 THz技術(shù)的特征和應(yīng)用13-15
• 1.1.3 THz技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)15-17
• 第二節(jié) THz微結(jié)構(gòu)功能器件概述17-24
• 1.2.1 關(guān)鍵THz功能器件研究進(jìn)展18-23
• 1.2.2 THz微結(jié)構(gòu)器件的主動(dòng)調(diào)控23-24
• 第三節(jié) 本文主要內(nèi)容24-28
• 第二章 THz微結(jié)構(gòu)器件的理論基礎(chǔ)與研究方法28-42
• 第一節(jié) 常見THz材料的性質(zhì)28-31
• 2.1.1 材料在THz波段的介電模型28-29
• 2.1.2 常見金屬在THz波段的性質(zhì)29-30
• 2.1.3 常見介質(zhì)材料在THz波段的性質(zhì)30-31
• 第二節(jié) THz微結(jié)構(gòu)器件的理論研究方法31-39
• 2.2.1 THz光子晶體的理論方法31-36
• 2.2.2 THz表面等離子體的理論方法36-39
• 第三節(jié) THz功能器件的測(cè)試——THz-TDS系統(tǒng)39-41
• 第四節(jié) 本章小結(jié)41-42
• 第三章 THz光子晶體可調(diào)諧器件的理論與實(shí)驗(yàn)研究42-61
• 第一節(jié) THz金屬光子晶體可調(diào)諧濾波器的理論研究42-47
• 3.1.1 材料選擇與器件結(jié)構(gòu)43-44
• 3.1.2 THz金屬光子晶體的傳輸與調(diào)諧特性44-45
• 3.1.3 THz金屬光子晶體波導(dǎo)的傳輸與調(diào)諧特性45-46
• 3.1.4 小結(jié)46-47
• 第二節(jié) THz相變光子晶體波導(dǎo)的理論研究47-53
• 3.2.1 VO_2相變及其在THz波段的性質(zhì)47-48
• 3.2.2 THz相變光子晶體波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)與能帶特性48-50
• 3.2.3 THz相變光子晶體波導(dǎo)的傳輸與調(diào)控特性50-52
• 3.2.4 VO_2薄膜厚度對(duì)器件性能的影響52-53
• 3.2.5 小結(jié)53
• 第三節(jié) THz光子晶體的加工53-56
• 第四節(jié) 光控THz相變光子晶體的實(shí)驗(yàn)研究56-61
• 3.4.1 側(cè)向泵浦調(diào)控實(shí)驗(yàn)56-59
• 3.4.2 正向泵浦調(diào)控實(shí)驗(yàn)59-60
• 3.4.3 小結(jié)60-61
• 第四章 THz表面等離子體波導(dǎo)調(diào)制器件的理論和實(shí)驗(yàn)研究61-76
• 第一節(jié) 金屬-半導(dǎo)體表面等離子體波導(dǎo)調(diào)制器的設(shè)計(jì)61-65
• 4.1.1 半導(dǎo)體InSb在THz波段的性質(zhì)61-62
• 4.1.2 器件的結(jié)構(gòu)和模式特征62-64
• 4.1.3 器件的調(diào)制特性64-65
• 4.1.4 小結(jié)65
• 第二節(jié) 電控雙肖特基柵陣THz調(diào)制器的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)65-76
• 4.2.1 器件結(jié)構(gòu)與加工66-68
• 4.2.2 器件的電子學(xué)特性68-69
• 4.2.3 器件的傳輸和調(diào)制實(shí)驗(yàn)69-71
• 4.2.4 數(shù)值模擬與理論分析71-74
• 4.2.5 小結(jié)74-76
• 第五章 THz磁光可調(diào)諧微結(jié)構(gòu)器件的理論研究76-104
• 第一節(jié) 磁光子晶體THz可調(diào)諧濾波器和偏振控制器76-82
• 5.1.1 鐵氧體材料在THz波段的旋磁性質(zhì)76-78
• 5.1.2 THz磁光子晶體的能帶特性78-80
• 5.1.3 THz磁光子晶體波導(dǎo)的調(diào)諧濾波特性80
• 5.1.4 THz磁光子晶體的偏振調(diào)控特性80-82
• 5.1.5 小結(jié)82
• 第二節(jié) 磁-硅光子晶體微腔THz環(huán)形器82-88
• 5.2.1 磁-硅光子晶體微腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)83-85
• 5.2.2 磁-硅光子晶體微腔的模式分析85-86
• 5.2.3 THz磁-硅光子晶體THz環(huán)形器的非互易傳輸與調(diào)控86-88
• 5.2.4 小結(jié)88
• 第三節(jié) 金屬-磁光表面等離子體波導(dǎo)THz隔離器88-96
• 5.3.1 外磁場(chǎng)下半導(dǎo)體在THz波段的旋電性質(zhì)89-90
• 5.3.2 器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與色散和模式特征分析90-93
• 5.3.3 器件的非互易傳輸與調(diào)控93-95
• 5.3.4 小結(jié)95-96
• 第四節(jié) 金屬-磁光表面等離子體透鏡THz隔離器96-104
• 5.4.1 器件的結(jié)構(gòu)和色散特性96-99
• 5.4.2 器件的非互易傳輸與調(diào)控99-102
• 5.4.3 小結(jié)102-104
• 第六章 THz光子晶體傳感器件的理論與實(shí)驗(yàn)研究104-123
• 第一節(jié) THz光子晶體的導(dǎo)模諧振效應(yīng)104-109
• 6.1.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析104-108
• 6.1.2 入射角度的影響108-109
• 6.1.3 小結(jié)109
• 第二節(jié) 基于THz光子晶體的微流體傳感109-112
• 6.2.1 微流體的定性檢測(cè)實(shí)驗(yàn)109-110
• 6.2.2 微流體的定量傳感實(shí)驗(yàn)110-112
• 6.2.3 小結(jié)112
• 第三節(jié) 磁控THz磁流體-光子晶體及其傳感應(yīng)用112-123
• 6.3.1 磁流體在THz波段的光學(xué)性質(zhì)113-116
• 6.3.2 磁流體在THz波段的Voigt磁光效應(yīng)116-117
• 6.3.3 磁流體填充THz光子晶體的實(shí)驗(yàn)與分析117-122
• 6.3.4 小結(jié)122-123
• 第七章 總結(jié)與展望123-127
• 第一節(jié) 本文總結(jié)123-126
• 第二節(jié) 未來(lái)工作展望126-127
• 參考文獻(xiàn)127-139
• 致謝139-140
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷140
• 在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果140-142

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