基于相位梯度超表面的太赫兹器件设计研究

作     者：孙宝平 

作者单位：山东师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：岳伟伟;刘剑

授予年度：2022年

学科分类：0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：太赫兹 相位梯度超表面 异常折射 超透镜 

摘      要：太赫兹波在电磁波谱中的地位相对特殊,和其他波段相比有着更加特殊的电磁特性,所以在安全监测、生物医学、信息通讯等领域都有着潜在的科研价值和应用前景。随着现代科学技术和半导体工艺技术的发展,使太赫兹发射源与相关探测设备的研究取得一定进展。但是,对于太赫兹调制器件仍然有较大的探索空间。目前,传统太赫兹调制器件存在体积大、损耗高、造价昂贵等问题。因此,开发具有高集成度、高效率、低成本的太赫兹调制器件是十分必要的。相位梯度超表面可以实现对相位、幅度、偏振等参数的有效、灵活调控,为研究高度集成化、小型化太赫兹调制器件提供了途径。本文基于相位梯度超表面设计了一系列太赫兹调制器件,具体工作内容如下:(1)基于金属相位梯度超表面的太赫兹器件。设计了金属C形开口环天线结构,将八个具有不同开口角度的天线单元按照线性相位梯度组成一个超晶胞,其相位变化可以实现2π的覆盖,当电磁波入射到相位梯度超表面时,会产生异常折射现象。利用此原理,本文设计了三种类型的太赫兹调制器件分别为:偏振不敏感异常折射器件、交错排列异常折射器件、多层异常折射器件。本文通过改变天线单元的布置方式和天线单元周围的介质来调制异常折射特性。特别是,由于周围介质(Ti O薄膜)具有比空气高的折射率,使工作频率发生红移和异常折射角度减小且随着Ti O薄膜厚度的增加,透射幅度随之减小。本文的研究提供了一种新的复合材料超表面设计,对太赫兹波调制具有潜在的应用前景。(2)基于全介质相位梯度超表面的太赫兹器件。设计了一种在PDMS基底放置长方体硅天线结构,利用改变长方体的长与宽实现对入射x偏振与y偏振相位、幅度的调制。基于此,设计了工作频率为0.8THz可以使x偏振与y偏振以相同角度不同方向分离的高效率太赫兹偏振分束器;另外,设计了可对0.8THz入射光束相位、偏振同时波前调制的高效率太赫兹波片偏转器。最后,设计了偏振不敏感、不同数值孔径的超透镜并作出分析。本文设计的器件为集成化提供了一种解决方式且成本较低、传输效率较高,对相位梯度超表面在太赫兹波调制、通信、传感等方面的应用有积极推动作用。