基于超材料的太赫兹带阻滤波器及其传感应用

论文摘要

太赫兹波具有频谱宽、穿透性强、安全性高和物质识别的指纹谱等特性,在通讯、安检、生物医学和成像等领域有着重要的研究价值和广泛的应用前景。由于太赫兹源、探测技术和功能器件的不成熟,限制了太赫兹技术的应用与发展。超材料是由人工设计的亚波长结构单元组成、具有自然材料所不具有的超常物理特性的人工电磁材料,超材料的出现促进了太赫兹探测、传感和功能器件等的发展。在这些应用中调制器和传感器等功能性器件必不可少,而多带、可调谐的调制器拓宽了超材料的应用范围,具有一定的研究价值。本论文基于超材料单元结构之间的近场耦合作用设计了两种机械可调的太赫兹带阻滤波器,利用等效电路理论分析了耦合机理,并研究了多阻带滤波器在传感领域的应用。论文主要工作内容和研究成果如下:1.超材料的基础理论和设计方法研究。首先,用麦克斯韦方程分析电磁波在均匀媒质超材料中的传输特性,利用电子集体运动的方程模型分析电磁波的电场与磁场对超材料的极化和磁化作用,得到超材料介电常数和磁导率与电磁波频率之间的关系。2.超材料结构设计的思路均基于偶极子的近场耦合效应理论。论文详细地阐述了电偶极子和磁偶极子产生的原理,分析了电偶和磁偶极子以纵向和横向方式组合对超材料谐振频率的影响,相较于这种分析方法的复杂和不直观,超材料的RLC等效电路模型简化了耦合效应的机理解释,为超材料的设计和研究带了方便。论文对电路模型分析谐振的原理与可行性进行了讨论。本论文设计的两个结构均采用偶极子杂交理论结合LC等效电路模型的方法解释谐振机理。3.基于电磁诱导透明的超材料太赫兹带阻滤波器设计。设计了一种基于电磁诱导透明(Electromagnetic Induced Transparency,EIT)效应的双层双“H”正交型的太赫兹带阻滤波器。研究发现:当电磁波入射角在0°～10°范围内变化时,在0.92 THz处实现了单阻带滤波到双阻带滤波的变化,随着入射角度的增加,实现双阻带滤波时其低频阻带的中心频率出现红移,而高频阻带的中心频率出现蓝移,表明该阻带滤波器具有中心频率可调的特性。论文首先阐述了 EIT的概念和分析方法,利用有限元法分析了 EIT现象中各谐振峰和透明峰的表面电流,根据电偶极子的杂化理论,分析多个偶极子的耦合效应,从束缚模的模式解释EIT效应;又根据电偶极子的分布,获得了该结构的等效LC电路模型,从电路模型谐振条件分析了该结构实现EIT效应和阻带滤波的原理。在此基础上,论文讨论了结构尺寸对阻带滤波器透射谱线的影响,发现几何尺寸的改变对透射幅度影响不大,主要影响阻带的中心频率和带宽。4.超材料太赫兹多阻带滤波器研究。设计和制备了一种基于近场耦合效应的机械可调谐的太赫兹四阻带滤波器。该滤波器是在硅基底上利用微加工工艺制作而成,由外正六边形环和内圆环组成,双环各自开口的中心到单元结构几何中心的水平位移相同。当太赫兹波垂直入射到该器件上,透射谱上存在四个谐振峰。当方位角在0°～90°范围变化时,可以同时调制四个谐振峰的透射幅度,其中第四谐振峰出现蓝移。利用有限元法分析了组成滤波器单环的透射和调谐特性,发现虽然单开口环随着方位角的改变具有调谐功能,但两个单环的谐振峰并不是简单的双环谐振峰的直接组合。通过分析四阻带谐振频率处的表面电流分布,结合偶极子的杂化理论,获得各谐振处的等效电路,不仅解释了上述两个单环谐振峰与双环谐振峰的差异,而且也说明四谐振峰透射幅度的调制机理。通过分析该结构关键的几何参数对各阻带位置的影响,发现几何尺寸的变化对四阻带的中心谐振频率影响较大,其中外环尺寸主要影响前三个谐振峰的中心频率,内环尺寸主要影响后三个谐振峰的中心频率。通过太赫兹时域光谱透射系统对样品进行了测试,实验和仿真结果基本吻合,说明该滤波器在太赫兹波段具有多阻带滤波、透射幅度可调谐的功能。5.超材料多阻带太赫兹滤波器的传感应用研究。首先利用数值分析的方法对四个阻带的传感灵敏度进行了比较,利用超材料传感理论对其进行了解释。然后使用制备的多阻带滤波器实施了两个传感实验,实验一实现了在太赫兹波段难以直接用光谱区分的维生素B族B1、B3、B5和B6的鉴别,实验结果表明:(1)四种同浓度(0.5 mg/μl)维生素B的水溶液分别滴于传感器的表面上,不同的维生素导致了四个谐振峰产生了不同的偏移量,但是不同维生素导致各谐振峰频率偏移的规律相同,按照频移由大到小的顺序依次为B3、B5、B6和B1,说明四阻带的每个阻带具有物质选择性的传感作用;(2)对于同浓度任何一种维生素B的水溶液,由内外环耦合形成谐振的传感灵敏度明显高于仅由外环或内环的电偶极子振荡形成谐振的传感灵敏度。实验二实现了维生素B6的水溶液浓度检测,评价了传感器的性能:实验粗略地确定传感器测量B6水溶液浓度范围大致为0.25 mg/μl～1.25 mg/μl,分辨率大致在0.15 mg/μl左右。实验一、二的结果说明该滤波器具有优良的传感性能,可用于生物医学等领域样品传感检测。论文研究内容的创新点概括如下:(1)设计了一种基于EIT效应的可调谐带阻滤波器。(2)实验验证了 0.2 THz～1.0 THz范围内机械可调的四阻带滤波器。(3)提出了一种简易的鉴别水溶性维生素B族的方法,有较好的鉴别效果。论文研究内容的不足之处:(1)论文仅仿真分析了基于EIT效应的带阻滤波器的特性以及参数设定,未能加工和实验验证;(2)论文结合偶极子的杂交理论和等效电路模型分析了器件的电磁特性,但未深入分析外界信号和器件几何参数的改变对电路模型参数以及偶极子耦合效应的影响。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 王月娥

导师: 李智

关键词: 太赫兹,超材料,等效电路模型,电磁感应透明,多阻带滤波器,生物传感

来源: 西安电子科技大学

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: 西安电子科技大学

分类号: O441;TB34;TN713

DOI: 10.27389/d.cnki.gxadu.2019.003287

总页数: 123

文件大小: 10810k

下载量: 136

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