基于超材料的太赫兹吸收体及光开关的理论研究
超材料(Metamaterials)一般被定义为是一种由亚波长尺寸周期性结构单元构成,且具有天然媒质所不具有的反常物理特性的新型人工材料.基于这些独特的电磁性质,该类材料在诸多领域均有广阔的应用前景.尤其是对工作于太赫兹波段的超材料结构的研究工作,目前人们已经设计和制造出了各式各样的功能器件,包括有太赫兹滤波器、偏振器、调制器、吸收体和开关等.相比于传统器件,它具有易集成和重量轻等优点.本论文主要围绕基于超材料的太赫兹吸收体和光开关的理论研究及设计而展开,论文的主要工作内容如下:1.提出了一种垂直级联的超宽带太赫兹超材料吸收体.引入了一个由各金属层磁场谐振耦合而激发的额外吸收峰,用来增宽吸收谱.叠加之后的吸收谱对2.6-5.7 THz的正入射太赫兹波保持吸收率>90%,而且吸收谱的半高全宽(FWHM)约是中心频率的95%.通过计算各共振频率的入射太赫兹波功率损耗,分析了额外吸收峰的产生机理.2.通过仿真研究了太赫兹波入射角和偏振角对吸收谱的影响.结果表明,当入射角不大于50o时,该吸收体仍能在2.5 THz左右的频率宽度内维持吸收率>88%.同时,偏振角的改变对吸收谱幅值几乎不影响.因此该吸收体对入射太赫兹波的偏振不敏感.3.设计了一个基于非对称裂环共振器的太赫兹超材料开关.通过改变外加泵浦光强可实现开关在打开与闭合状态之间进行切换.从理论上具体研究了硅中载流子浓度与泵浦光强的关系,以及载流子的产生和衰减过程.4.为了分析光开关各共振的产生机理,计算了光开关在各共振频率处的电场分布和表面电流分布,结果发现有一些共振是由LC共振和高阶共振的共振耦合产生.进一步,利用两个简易模型等效光开关的打开和闭合状态,分析了光开关在工作过程中的模式切换效应.5.研究结果表明,在1.26-1.49 THz的开关窗口内,开关比大于10.改变介质层的介电常数和厚度,可对开关窗口的位置和宽度进行调节.调节范围约为0.3 THz.此外,该太赫兹光开关的响应时间可达到ps量级.
- 作者：
- 李新旺
- 学位授予单位：
- 中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所)
- 专业名称：
- 光学工程
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2015年
- 导师姓名：
- 刘红军
- 中图分类号：
- O441.4；TB39
- 关键词：
- 太赫兹；超材料功能器件；吸收体；光开关
- Terahertz； Metamaterials functional device； Absorber； Optical switching