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《北京交通大学》 2017年
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基于InSb可调谐太赫兹表面等离子体吸收器的研究

刘怀清  
【摘要】:太赫兹科学技术在最近十年得到了迅猛的发展,而且越来越受到相关研究人员的重视,这是由于它在如生物科学,医学成像,安全和空间科学,传感等诸多领域有着重要的应用。鉴于太赫兹科学技术潜在的应用价值和广阔的发展前景,吸引了世界各国大量科研人员的研究兴趣,一系列太赫兹器件得到了飞速的发展。例如发射器,调制器,滤波器,检测器和吸收器等等,这些器件的不断改进使得太赫兹系统的性能得到不断的优化。在这些器件中,太赫兹吸收器促进了太赫兹探测器、热发射器、传感器和室温下隐身操作技术的进一步发展。在过去的十年中,基于平面超材料的太赫兹吸收器得到了快速的发展,此类太赫兹吸收器表现出了很多优异的性能,例如偏振不敏感、全角度、双波长、三波长、超窄带和宽带吸收等等。不幸的是,这些吸收器的吸收峰很难调谐,除非改变其几何参数,对于制定好的器件来说,反复修改其几何尺寸显得十分笨拙,另外这些所谓的超材料都是通过金属和介质组合形成的,其排列还有一定的规则,有时候想要找到合适的金属-介质组成的超材料还相当困难,那么自然界中是否存在能吸收太赫兹波,且介电常数可调谐的材料呢?答案是肯定的。本文主要设计并研究了基于半导体InSb太赫兹波段的多种可调谐太赫兹吸收器,着重利用电磁感应透明原理和明暗谐振腔的强耦合导致原始共振频率发生分裂的物理现象设计了可调谐太赫兹多波长吸收器。论文主要创新成果如下:1.对三种(金属、石墨烯、半导体)可以支持SPP波的材料进行了对比,并分别利用三种材料设计了若干性能优异的微纳光子器件。2.设计了基于对称T型InSb阵列的单波长太赫兹吸收器,吸收效率高达99.3%。另外吸收频率的位置可以通过温度来调控。3.分析了 InSb-Air-InSb波导中的电磁感应透明(EIT)现象,并利用该原理设计了多波长太赫兹吸收器,且当两FP腔距离满足特定条件时,双波长太赫兹吸收器可以演变为宽带太赫兹吸收器。4.研究了明暗谐振腔之间的强耦合可以使原始共振频率可以分裂为两个超模共振频率,基于此原理设计并研究了基于InSb的可调多波长太赫兹吸收器。5.分别利用FP腔的级联和FP腔的高阶谐振设计了宽带(吸收带宽约0.2THz)太赫兹吸收器和窄带(吸收半全带宽约0.018THz)太赫兹吸收器。由于InSb的介电常数的温敏特性,本文中所设计的太赫兹吸收器的吸收频率的位置均可以通过温度来调节。本文的研究工作在军事领域、生物医疗、能源领域等方面有潜在的应用价值。
【关键词】:太赫兹 吸收器 多波长 可调谐 耦合 电磁感应透明 法布里-珀罗
【学位授予单位】:北京交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O441
【目录】:
  • 致谢5-6
  • 摘要6-7
  • ABSTRACT7-12
  • 1 绪论12-28
  • 1.1 引言12-13
  • 1.2 太赫兹波13-14
  • 1.3 太赫兹技术的应用14-16
  • 1.4 太赫兹吸收器的研究意义和国内外研究现状16-24
  • 1.4.1 吸收器研究起源和研究意义16-18
  • 1.4.2 太赫兹吸收器所需要的的材料种类18-21
  • 1.4.3 太赫兹吸收器的国内外研究现状21-24
  • 1.5 本论文的研究内容和创新点24-28
  • 2 表面等离子体激元及相关器件28-56
  • 2.1 引言28
  • 2.2 表面等离子体(SPP)波的产生机理28-41
  • 2.2.1 金属-介质表面等离子激元28-33
  • 2.2.2 基于金属的SPP波的色散关系33-34
  • 2.2.3 基于金属的SPP集成光器件34-41
  • 2.3 石墨烯支持下的表面等离子体(SPP)波及其相关器件41-49
  • 2.3.1 石墨烯的基本物理特性41-43
  • 2.3.2 基于石墨烯的表面等离子体激元43-45
  • 2.3.3 基于石墨烯的微纳光电逻辑门45-49
  • 2.4 锑化铟(INSB)支持下的表面等离子体(SPP)波及其相关器件49-54
  • 2.4.1 锑化铟材料的物理特性49-50
  • 2.4.2 基于锑化铟的表面等离子体太赫兹焦距可调微透镜50-54
  • 2.5 金属、石墨烯、锑化铟三种材料支持的表面等离子体(SPP)波的比较54-55
  • 2.6 本章小结55-56
  • 3 INSB基单波长太赫兹表面等离子体吸收器56-68
  • 3.1 引言56-57
  • 3.2 单波长太赫兹吸收器的结构设计57-59
  • 3.2.1 InSb基板上刻有有周期性空气槽所形成的单波长太赫兹吸收器57-58
  • 3.2.2 结果和讨论58-59
  • 3.3 单波长太赫兹吸收器的吸收增强59-60
  • 3.4 单波长太赫兹吸收器的结构优化和分析60-62
  • 3.5 单波长太赫兹吸收器吸收频率的调节62-65
  • 3.5.1 几何参数调节吸收频率62-64
  • 3.5.2 温度调节吸收频率64-65
  • 3.6 入射角度对单波长太赫兹吸收器性能的影响65-66
  • 3.7 本章小结66-68
  • 4 INSB基多波长太赫兹表面等离子体吸收器68-92
  • 4.1 引言68
  • 4.2 基于非对称T型阵列锑化铟的多波长太赫兹吸收器68-71
  • 4.3 基于电磁感应透明透明现象(EIT)原理的太赫兹多波长吸收器71-77
  • 4.3.1 电磁感应透明现象简介71-72
  • 4.3.2 锑化铟-空气-锑化铟波导中的电磁感应透明现象72-77
  • 4.4 基于EIT原理的太赫兹多波长吸收器77-81
  • 4.4.1 结构设计和吸收原理77-78
  • 4.4.2 结果和讨论78-81
  • 4.5 基于明暗谐振腔耦合理论的太赫兹多波长吸收器81-90
  • 4.5.1 明暗谐振腔耦合产生EIT原理82
  • 4.5.2 锑化铟-空气-锑化铟中明暗谐振腔耦合产生EIT现象82-86
  • 4.5.3 基于明暗谐振腔耦合产生多波长太赫兹吸收器86-90
  • 4.6 本章小节90-92
  • 5 INSB基窄带和宽带太赫兹表面等离子体吸收器92-104
  • 5.1 引言92-93
  • 5.2 超窄带太赫兹吸收器93-95
  • 5.2.1 超窄带太赫兹吸收器的结构设计93-94
  • 5.2.2 超窄带太赫兹吸收器在传感方面的应用94-95
  • 5.3 谐振腔级联的宽带太赫兹吸收器95-97
  • 5.3.1 谐振腔级联的宽带太赫兹吸收器的结构设计95-96
  • 5.3.2 结果和讨论96-97
  • 5.4 基于明暗谐振腔组合形成的宽带太赫兹吸收器97-100
  • 5.4.1 基于明暗谐振腔组合形成的宽带太赫兹吸收器结构设计97-98
  • 5.4.2 结果和讨论98-100
  • 5.5 吸收器相关制备工艺介绍100-102
  • 5.6 本章小结102-104
  • 6 结论104-108
  • 6.1 总结104-106
  • 6.2 下一步要展开的工作106-108
  • 参考文献108-116
  • 作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果116-120
  • 学位论文数据集120

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