【摘 要】
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太赫兹(THz)波是一种频率在0.1THz-10THz之间的电磁波,其独特的波长特性使得该波段在生物医学成像、半导体材料及太赫兹通信等领域具有广泛的应用价值。在THz频段,基于金属或
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太赫兹(THz)波是一种频率在0.1THz-10THz之间的电磁波,其独特的波长特性使得该波段在生物医学成像、半导体材料及太赫兹通信等领域具有广泛的应用价值。在THz频段,基于金属或介质结构的太赫兹器件一旦加工完成,性能也就固定,无法实现对电磁波的调控。本论文的主要目的是利用等离子体或石墨烯的外加参数可调性,设计可调太赫兹表面等离子激元(Surface plasmon polaritons,SPPs)和太赫兹辐射源。论文首先介绍了表面等离子激元的发展历程和应用,以及太赫兹辐射源的研究现状。在此基础上,详细推导了等离子体与介质表面的色散关系,分析了其可调表面等离子激元特性。最后,利用CST仿真软件设计了基于石墨烯的介质加载金属光栅结构,分析了可调的太赫辐射源特性。本论文的主要工作如下:(1)利用Maxwell方程推导了磁化等离子体与介质表面的色散方程,分析了其表面等离子体激元特性。研究发现,非磁化情况下,等离子体表面SPPs的波矢大于空气中光子的波矢,无法激发SPPs,需要采取措施进行波矢补偿。而在磁化等离子体SPPs的色散曲线与真空中的电磁波的色散曲线产生了交点,说明在该点波矢匹配条件成立,可以激发SPPs。等离子体的碰撞频率变小,碰撞所带来的损耗更小,更容易激发SPPs,外加磁场增大,激发表面等离子激元的匹配频率变得更低。(2)设计了基于石墨烯覆盖的光栅结构,研究了其可调太赫兹辐射特性。将加入石墨烯和没有加入石墨烯的介质金属光栅结构分别产生的太赫兹辐射强度进行对比分析,可发现石墨烯能有效增强太赫兹辐射,并且改变石墨烯的表面化学势,可得到频率可调的太赫兹辐射源。此外,金属光栅的结构参数变化,介质的介电常数改变,都会影响激励的SPPs的频率,进而影响产生太赫兹辐射的频率。
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