本文關鍵詞：太赫茲表面等離激元的傳輸和聚焦研究

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【摘要】：太赫茲波(THz wave)指的是頻率在1012赫茲附近的電磁波。它具有很多優(yōu)良特性,可應用于生命科學、材料學、高速無線通信技術和安全技術等領域,是近年來研究的熱門方向之一。太赫茲的波導傳輸問題是該領域內(nèi)的一個重點、難點。2004年,單金屬線波導在實驗上首次被證實可用于太赫茲輻射的低損耗、低色散傳輸。該實驗結果由Mittleman小組發(fā)表在當年的Nature雜志上。曹清和Jürgen Jahns在第一時間提出理論模型,解釋了單金屬線波導的高效傳輸效應來自于表面等離激元。隨后,各種其他類型的太赫茲金屬表面等離激元,即太赫茲金屬波導,被研究用于高效傳輸太赫茲波。對于研究太赫茲表面等離激元,重點是要獲得其有效折射率。有效折射率的虛部可以用來計算損耗,而實部則可用來計算色散。因此,人們可以通過有效折射率的數(shù)據(jù)對相應金屬結構太赫茲表面等離激元的傳輸特性進行評估。本博士論文在分析已有太赫茲金屬表面等離激元研究的基礎上,著重對以下兩種金屬結構的太赫茲表面等離激元進行了詳細的理論研究,獲得了一些有意義的結果。1.建立了不同半徑雙金屬線太赫茲表面等離激元的有效折射率的近似顯式表達式。我們介紹了一種邊界條件微擾方法(Technique of perturbation of boundary condition)用于研究不同半徑的雙金屬線表面等離激元。基于電場在這種金屬線橫截面上滿足準靜電分布這個特性,我們推導出了這種金屬線表面等離激元的有效折射率的近似顯式表達式。該工作有以下幾個創(chuàng)新點:a)先前的研究主要集中在半徑相同的對稱雙金屬線結構。我們的研究結果適用于它的普遍形式,即兩個半徑不同的金屬線所形成的結構。這個結果可以幫助相關科研人員設計更多形狀的雙金屬線結構。在對不同半徑雙金屬線表面等離激元的研究過程中,我們遇到的一個難點是如何計算出這種復雜結構橫截面上的電場分布。我們利用一種保角變換,莫比烏斯變換(M?bius transformation),成功地解決了這個問題。b)對于對稱雙金屬結構,太赫茲表面等離激元有效折射率的嚴格解析求解非常困難。事實上,由于難以在這種結構橫截面上求解縱向電場和縱向磁場的亥姆霍茲方程,建立嚴格的本征方程幾乎是不可能的。以往,科研人員在求解此問題的過程中往往依賴于數(shù)值模擬方法。此類方法雖然計算精度高,但是計算效率低下,且物理圖像不清晰。近年來,人們轉向對有效折射率的近似解析式進行研究并獲得了一些可喜的成果。利用能量守恒定律,雙金屬線損耗的近似解析式被提出,這意味著有效折射率的虛部可以被近似地顯式表達。但是在我們的工作發(fā)表之前,人們還未建立完整的復數(shù)有效折射率的近似表達式。在這項工作中,我們推導出了這個近似的顯式表達式,且適用于比對稱雙金屬線更一般的結構,即半徑不同的情況。該表達式與數(shù)值模擬的結果符合得很好,可以很方便地用于評估太赫茲雙金屬線表面等離激元的色散和損耗。c)在利用有效折射率顯式表達式研究太赫茲輻射在雙金屬線中的色散問題時,我們發(fā)現(xiàn)當金屬為銅時,太赫茲輻射存在一個群速度色散零點,該零點位于1.268 THz附近。此結果可用于幫助研究人員選擇合適的導波頻率。2.提出了一種漸變的雙曲線形金屬太赫茲表面等離激元用于太赫茲波的納米聚焦。我們發(fā)現(xiàn)橫截面為雙曲線形金屬太赫茲表面等離激元在頂點間距為納米尺度時有著很小的損耗�；谶@種特性,我們設計了一種漸變的雙曲線形金屬結構,在理論上證明了該結構能把波長在毫米量級的太赫茲波聚焦到5nm。該工作有以下幾個創(chuàng)新點:a)先前有科學家在研究了漸變金屬平行平板和漸變同心圓波導基礎上提出了利用漸變金屬結構聚焦太赫茲波的極限是金屬在該頻率下的趨膚深度,在1THz下大約為60 nm。上述兩種波導都未達到這一極限。而低損的漸變雙曲線形金屬表面等離激元能打破這一聚焦極限,并能把1 THz的電磁波聚焦到5 nm,比同等條件下漸變金屬平行平板波導所能達到的焦斑尺寸小大約2個數(shù)量級。b)在實現(xiàn)5nm焦斑的同時,我們利用這種漸變雙曲線形金屬表面等離激元使能流密度(中心點坡印廷矢量大小)增益了約10000倍。這種能流密度的增益能力比同等條件下漸變金屬平板所能達到的提高了大約3個數(shù)量級。c)我們推導出了漸變雙曲線形金屬表面等離激元在橫截面上的電場解析表達式,該表達式與數(shù)值模擬的結果符合得很好。本論文主要包含了我們在太赫茲金屬表面等離激元特性方面的研究工作,重點闡述了兩種結構的傳輸特性,結構的尺寸范圍覆蓋了納米到微米量級。這些研究結果在太赫茲通信、電路、超分辨率成像、納米激光器等領域具有潛在的應用前景。
【學位授予單位】：上海大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O441.4

【參考文獻】

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本文編號：1264153