本文關(guān)鍵詞：太赫茲表面等離激元的傳輸和聚焦研究

  更多相關(guān)文章： 太赫茲波 表面等離激元 雙金屬線 亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu) 納米結(jié)構(gòu)

【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(yīng)用于生命科學(xué)、材料學(xué)、高速無線通信技術(shù)和安全技術(shù)等領(lǐng)域,是近年來研究的熱門方向之一。太赫茲的波導(dǎo)傳輸問題是該領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)重點(diǎn)、難點(diǎn)。2004年,單金屬線波導(dǎo)在實(shí)驗(yàn)上首次被證實(shí)可用于太赫茲輻射的低損耗、低色散傳輸。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果由Mittleman小組發(fā)表在當(dāng)年的Nature雜志上。曹清和Jürgen Jahns在第一時(shí)間提出理論模型,解釋了單金屬線波導(dǎo)的高效傳輸效應(yīng)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(dǎo),被研究用于高效傳輸太赫茲波。對(duì)于研究太赫茲表面等離激元,重點(diǎn)是要獲得其有效折射率。有效折射率的虛部可以用來計(jì)算損耗,而實(shí)部則可用來計(jì)算色散。因此,人們可以通過有效折射率的數(shù)據(jù)對(duì)相應(yīng)金屬結(jié)構(gòu)太赫茲表面等離激元的傳輸特性進(jìn)行評(píng)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(chǔ)上,著重對(duì)以下兩種金屬結(jié)構(gòu)的太赫茲表面等離激元進(jìn)行了詳細(xì)的理論研究,獲得了一些有意義的結(jié)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(dá)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(chǎng)在這種金屬線橫截面上滿足準(zhǔn)靜電分布這個(gè)特性,我們推導(dǎo)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(dá)式。該工作有以下幾個(gè)創(chuàng)新點(diǎn):a)先前的研究主要集中在半徑相同的對(duì)稱雙金屬線結(jié)構(gòu)。我們的研究結(jié)果適用于它的普遍形式,即兩個(gè)半徑不同的金屬線所形成的結(jié)構(gòu)。這個(gè)結(jié)果可以幫助相關(guān)科研人員設(shè)計(jì)更多形狀的雙金屬線結(jié)構(gòu)。在對(duì)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(gè)難點(diǎn)是如何計(jì)算出這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)橫截面上的電場(chǎng)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(gè)問題。b)對(duì)于對(duì)稱雙金屬結(jié)構(gòu),太赫茲表面等離激元有效折射率的嚴(yán)格解析求解非常困難。事實(shí)上,由于難以在這種結(jié)構(gòu)橫截面上求解縱向電場(chǎng)和縱向磁場(chǎng)的亥姆霍茲方程,建立嚴(yán)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(jì)算精度高,但是計(jì)算效率低下,且物理圖像不清晰。近年來,人們轉(zhuǎn)向?qū)τ行д凵渎实慕平馕鍪竭M(jìn)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(dá)。但是在我們的工作發(fā)表之前,人們還未建立完整的復(fù)數(shù)有效折射率的近似表達(dá)式。在這項(xiàng)工作中,我們推導(dǎo)出了這個(gè)近似的顯式表達(dá)式,且適用于比對(duì)稱雙金屬線更一般的結(jié)構(gòu),即半徑不同的情況。該表達(dá)式與數(shù)值模擬的結(jié)果符合得很好,可以很方便地用于評(píng)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(dá)式研究太赫茲輻射在雙金屬線中的色散問題時(shí),我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)金屬為銅時(shí),太赫茲輻射存在一個(gè)群速度色散零點(diǎn),該零點(diǎn)位于1.268 THz附近。此結(jié)果可用于幫助研究人員選擇合適的導(dǎo)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(diǎn)間距為納米尺度時(shí)有著很小的損耗�；谶@種特性,我們?cè)O(shè)計(jì)了一種漸變的雙曲線形金屬結(jié)構(gòu),在理論上證明了該結(jié)構(gòu)能把波長(zhǎng)在毫米量級(jí)的太赫茲波聚焦到5nm。該工作有以下幾個(gè)創(chuàng)新點(diǎn):a)先前有科學(xué)家在研究了漸變金屬平行平板和漸變同心圓波導(dǎo)基礎(chǔ)上提出了利用漸變金屬結(jié)構(gòu)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(dǎo)都未達(dá)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(dǎo)所能達(dá)到的焦斑尺寸小大約2個(gè)數(shù)量級(jí)。b)在實(shí)現(xiàn)5nm焦斑的同時(shí),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(diǎn)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(dá)到的提高了大約3個(gè)數(shù)量級(jí)。c)我們推導(dǎo)出了漸變雙曲線形金屬表面等離激元在橫截面上的電場(chǎng)解析表達(dá)式,該表達(dá)式與數(shù)值模擬的結(jié)果符合得很好。本論文主要包含了我們?cè)谔掌澖饘俦砻娴入x激元特性方面的研究工作,重點(diǎn)闡述了兩種結(jié)構(gòu)的傳輸特性,結(jié)構(gòu)的尺寸范圍覆蓋了納米到微米量級(jí)。這些研究結(jié)果在太赫茲通信、電路、超分辨率成像、納米激光器等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。
【學(xué)位授予單位】：上海大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O441.4

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前3條

1 楊潔;鈕月萍;林功偉;祁義紅;龔尚慶;;Zero-dispersion waveguide of sub-skin-depth terahertz plasmons using metallic nanowires[J];Chinese Optics Letters;2013年08期

2 ;Theoretical investigation of a terahertz transmission line in bipolar coordinate system[J];Science China(Information Sciences);2012年01期

3 P.Tannouri;M.Peccianti;P.L.Lavertu;F.Vida;R.Morandotti;;Quasi-TEM mode propagation in twin-wire THz waveguides[J];Chinese Optics Letters;2011年11期

，

本文編號(hào)：1264153