论文部分内容阅读
近年来随着THz(Terahertz，简称THz)辐射源和探测技术的突飞猛进，THz波的优越特性逐渐显示出巨大的应用前景。THz波在生物医学、探测、通信、国防安全等众多领域都具有广阔的应用空间。所以说对THz的研究既是重要的基础科学问题，又是新一代信息产业和国防安全的重大需求，具有重要的战略意义。然而，在相关功能器件的实际应用中，实现对THz波的主动调节和控制是非常重要的一步，所以对THz调制器件的研究也越发引起各国研究人员重视。近来受到人们广泛关注的对THz波吸收器的研究就是其中一个重要的研究方向。 本文在总结国内外主要的可调谐吸收器研究进展的基础上，提出了基于电磁超材料（metamaterials）和基于法布里-珀罗谐振腔的可调谐吸收器。 (1)本论文第一个工作就是把VO2引入传统的超材料吸收器的关键部位，利用VO2薄膜的相变特性以实现对THz波振幅进行调制以实现THz频率范围的调制功能。具体做法如下:描述了本文实现可调谐超材料吸收器的思路的方法，最后提出了具体的参数结构及其实现效果分析。传统超材料吸收器通常利用上中下三层结构来实现完美吸收，其中上层为电谐振器，中间层为电介质层，最下层为连续的金属薄膜层。上层电谐振器提供电谐振响应，上下金属层共同实现磁谐振响应，通过合理的设计整个结构单元的结构尺寸使得电响应与磁响应频率区域重叠，并达到与自由空间的阻抗匹配。电谐振响应的中心频率由ω0=1/√LC决定，利用电谐振环开口处VO2薄膜的相变特性，通过改变其温度达到改变上层电谐振器的电容(C)的效果，从而改变谐振的中心频率和电谐振响应的强度并且破坏了之前形成的阻抗匹配的状态。导致结构的吸收谱也会发生较大的改变，从而实现了对THz吸收率的调控，进一步研究发现，在VO2在60-66℃的小幅度温度变化范围内，可以实现对吸收谐振顶点频率的较大移动(从3.58THz到2.91THz)，即达到了0.112THz/℃的敏感度。同时还通过相关数值计算进一步加深了我们对超材料吸收器吸收原理的理解。 (2)本论文的第二个工作是把巨大的相位移动引入了传统的基于非对称法布里-珀罗腔(FP腔)吸收器。传统的FP腔吸收器由谐振腔和反射镜组成，利用谐振腔上下层的相消和相长干涉实现了在中心波长λ=4nd处的相干吸收。其中n表示腔内介质的折射率，d表示谐振腔的厚度。而利用掺杂砷化镓半导体在THz频段的特殊性质，在谐振腔与反射镜之间引入了巨大的相位移动之后，就可以实现在中心波长λ＜＜4nd处实现相干吸收，而且由此导致了波长对相位敏感度下降，从而使得其吸收谱比传统的基于非对称FP腔的吸收器更宽。Capasso小组提出的利用上层VO2、下层蓝宝石的结构实现中红外波段的近完美吸收和上层Ge(Ge在可见光波段是强吸收电介质)和下层金属的结构实现了可见光波段的强吸收。但是这两种吸收器都要求上层电介质为强吸收的损耗电介质，而事实上由于THz波段在电磁频谱中的特殊位置，人们难以找到对THz起响应的自然材料，因此此种原理并不适用于THz波段。我们针对THz波段难以找到强吸收介质的特点，据我们所知，我们首次把非凡相移引入到THz，并利用上层无损的电介质、下层掺杂半导体的结构在理论上实现了THz波段的完美吸收。并且我们还发现，相比于传统的基于不对称FP腔实现的吸收器，这种引入非凡相移后的新型FP腔吸收器对入射角度很不敏感，具有较高的实用价值。在以上基础上再利用高浓度参杂砷化镓半导体的可调谐性，实现了对吸收频段的调制功能。