基于超材料的完美吸收体和慢光器件的主动调控研究

论文摘要

超材料是一种表现出负折射率等特殊物理性质的具有周期或非周期性亚波长结构的人工材料。通过对超材料中的结构进行定制化的设计,可以使超材料具有常规材料所不具备的奇异物理性质。这种通过改变材料中的人造结构尺寸而对材料的性质进行定制的思路,拓展了人们对于材料的认识。基于超材料的概念,可以设计出各种功能性器件。例如:完美吸收体,偏振转换器,相位延迟器等。超材料完美吸收体属于超材料中的振幅调制器,当电磁波入射到完美吸收体表面时,反射电磁波和透射电磁波的强度均为0,意味着电磁波被材料完全吸收。超材料完美吸收体有着实际的应用价值,比如利用超材料覆盖的机身实现对雷达的隐形功能。相比于传统吸波器件,超材料完美吸收体有很多优势,例如:厚度薄,稳定性高,可定制化设计等。在实际使用中,是否可以主动调控成为了完美吸收体能否广泛应用的关键因素。实现可主动调控的、宽谱的超材料完美吸收体仍然是一个挑战。太赫兹波是处于电磁波谱中一个特定频率区间（0.1 THz-10 THz）的电磁波。频率高于太赫兹波的红外波段以及频率低于太赫兹波的微波波段均已经被大量研究。但是从前由于技术的原因,缺少高效的太赫兹源和相应的太赫兹探测器,这限制了太赫兹技术的相关研究。随着超快激光器技术的进步,相应的太赫兹源以及探测器的发展,太赫兹波段的电磁波也终被人们所关注。然而,太赫兹波段主动调控功能器件的缺乏,是限制太赫兹技术进一步发展的关键因素之一。发展主动调控的超材料器件为太赫兹调控器件提供了绝佳的解决方案。本论文主要研究主动调控的超材料器件。首先对主动调控超材料完美吸收体进行了研究,设计并提出了两种新颖的主动调控超材料完美吸收体结构,并且通过仿真的方式研究其吸波性能。在太赫兹超材料器件方面,设计并制作了一种太赫兹波段的超快群速度调控器件,通过实验,仿真等手段研究了其对太赫兹群速度调控性能。本论文具体的研究工作如下:1.提出了一种主动调控和可切换频带的太赫兹宽谱完美吸收体。这种完美吸收体可通过温度控制实现在两个较宽频带之间切换的功能。为了实现这种功能,我们在传统的完美吸收体中加入了相变材料二氧化钒,通过结构设计使得在相变温度以上和相变温度以下吸收体呈现不同的有效结构,从而实现切换功能。我们通过仿真的方式验证了完美吸收体的吸收性能,并利用等效介质理论探究了完美吸收体的吸收机理。2.提出了一种基于石墨烯-介质多层结构的主动调控双带完美吸收体。这种结构的完美吸收体可以在两个共振频率处实现完美吸收。通过外加电压可以调控两个吸收峰位置。利用等离激元理论,我们研究了石墨烯-介质多层结构中电磁波的传播,探究了这种结构具有两个吸收峰的物理机制。同时根据石墨烯-介质多层结构中的色散关系,推导出一个可以通过石墨烯费米能级以及结构几何参数计算吸收峰位置的经验公式。通过将仿真得到的吸收峰位置和经验公式计算出来的吸收峰位置进行比对,验证了经验公式的可信度。3.设计了一种基于类电磁诱导透明、可超快调控的太赫兹波群速度延迟器。为了实现对群速度的超快调控,我们在传统的电磁诱导透明超表面中引入磷离子P+掺杂的微米硅结构,由于离子注入的硅产生了大量缺陷,使得硅中光生载流子可以快速复合。我们首先通过仿真的方式研究了所设计超表面的性能,然后利用微纳加工手段制作了样品,并利用光泵浦太赫兹探测系统测试样品的太赫兹波透过率随泵浦光延迟的变化,得到了样品对群速度调控的性能。我们还通过耦合振荡器模型对测试结果进行拟合,进一步说明调控的物理机制。

论文目录

摘要

ABSTRACT

第1章绪论

1.1 电磁超材料研究背景

1.2 电磁超材料设计

1.2.1 材料的电磁特性

1.2.2 负折射率材料的性质

1.2.3 超材料的设计方法

1.3 超材料完美吸收体研究现状

1.3.1 超材料器件发展简述

1.3.2 超材料完美吸收体的频率拓展

1.3.3 吸收机制相关研究

1.3.4 宽谱完美吸收体研究现状

1.3.5 主动调控超材料完美吸收体研究现状

1.4 太赫兹波段超材料研究现状

1.4.1 太赫兹波简介

1.4.2 太赫兹波段超材料主动调控器件研究现状

1.5 本论文的研究工作

1.5.1 论文选题依据

1.5.2 论文具体工作

参考文献

第2章电磁场有限元仿真介绍

2.1 有限元法简介

2.2 变分法介绍

2.3 有限元法求解过程

2.3.1 有限元法求解基本思路

2.3.2 有限元法空间离离散单元

2.3.3 一维情况的求解过程展示

2.4 电磁场仿真软件仿真流程介绍

2.5 本章小结

参考文献

第3章基于二氧化钒的可切换频带的完美吸收体

3.1 引言

3.2 宽谱完美吸收体结构设计以及仿真

3.2.1 超材料完美吸收体吸收机理

3.2.2 结构设计

3.2.3 仿真方法

3.2.4 宽谱吸收体的仿真结果

3.2.5 小结

3.3 可切换频带宽谱完美吸收体设计及仿真

3.3.1 二氧化钒相变介绍

3.3.2 结构设计

3.3.3 仿真方法

3.3.4 可切换频带完美吸收体的仿真结果

3.3.5 小结

3.4 吸收机理的研究

3.4.1 完美吸收体的等效介电常数

3.4.2 通过仿真结果验证吸收机理

3.5 本章小结

参考文献

第4章基于多层石墨烯的可调控双带完美吸收体

4.1 引言

4.2 石墨烯-介质多层结构中的电磁波

4.2.1 石墨烯的电导率

4.2.2 表面等离激元介绍

4.2.3 石墨烯-介质多层结构中的色散关系

4.2.4 小结

4.3 基于石墨烯-介质多层结构的完美吸收体

4.3.1 结构设计

4.3.2 仿真方法

4.3.3 仿真结果

4.3.4 经验公式的提出

4.3.5 经验公式和仿真计算结果的对比

4.3.6 吸收随角度变化结果

4.3.7 小结

4.4 本章小结

参考文献

第5章基于超材料的太赫兹波段慢光超快调控器件

5.1 引言

5.2 EIT超材料设计

5.2.1 EIT产生机理

5.2.2 材料选择

5.2.3 结构设计

5.2.4 仿真结果

5.2.5 小结

5.3 样品制作

5.4 太赫兹平台介绍以及数据处理方法

5.4.1 透射式太赫兹测试平台

5.4.2 数据处理方式

5.4.3 样品的太赫兹测试结果

5.4.4 小结

5.5 器件慢光调控性能研究

5.5.1 慢光现象介绍

5.5.2 器件慢光调控性能

5.5.3 根据实验结果进一步解释

5.5.4 小结

5.6 本章小结

参考文献

第6章总结和展望

6.1 本论文的主要研究工作

6.2 展望

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 赵毅

导师: 陆亚林,黄秋萍

关键词: 完美吸收体,太赫兹,主动调控,石墨烯,二氧化钒,慢光,光泵浦太赫兹探测

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,材料科学,无线电电子学

单位: 中国科学技术大学

分类号: O441.4;TB34

总页数: 115

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