基于新奇物性的太赫兹超材料传感研究

作     者：刘笑宇 

作者单位：山东大学 

学位级别：硕士

导师姓名：时彦朋

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] 080202[工学-机械电子工程] 0802[工学-机械工程] 

主      题：太赫兹 超材料 传感器 可调谐 石墨烯 Anapole 电磁诱导透明 

摘      要：太赫兹波(THz)处于电子学与光子学的交叉领域,凭借其低能量、宽频谱、强穿透、瞬态性等特点,在国防、医疗、通信等领域有着重要应用。THz传感技术作为THz应用技术研究的重点方向,为THz波谱技术、生物医疗诊断、无损检测提供了可能,但自由空间太赫兹探测技术的灵敏度较低,会限制其实际传感应用范围。超材料是由周期性谐振器组成的人工复合材料,通过对其结构进行设计来实现所需功能,它不仅能增强电场局域性,还具有对周围环境介电性质敏感的优势,因此,基于超材料的THz传感器必将展现出巨大应用价值。本文在THz波段基于超材料传感开展了一系列的研究,利用环形偶极子、anapole模式、电磁诱导透明等物理特性实现了优异的传感性能,并利用石墨烯实现高灵敏的可调性,提出了连续性、多模式、调控灵活的太赫兹超材料传感器。本论文的主要工作如下:1、提出了一种基于石墨烯金属的太赫兹超材料器件,利用激发的anapole模式实现高品质因子,并结合石墨烯独特的电磁特性实现了优异的调谐性能。将石墨烯置于结构中心间隙时,通过影响环形偶极子与电偶极子共振的破坏性干扰,实现了对谐振频率的调控,调谐能力可达250 GHz/0.1 eV。当金属结构两侧间隙加入石墨烯时,由于磁四极子受到显著影响,同样会有明显的调谐效果。基于anapole模式的高灵敏度和石墨烯带来的调谐性能为可重构超材料传感器提供了潜在的应用前景。2、提出了一种使用石墨烯在全介电类电磁感应透明超材料中进行主动调控的方法,通过硅环和硅矩形棒谐振器的结构实现类电磁诱导透明效应,并将单层石墨烯集成到超材料中,实现了多模式的主动调谐功能。当石墨烯置于硅环谐振器下方,费米能级由0到0.6 eV变化时,器件共振频率的透射峰值由0.9衰减到0.3;当石墨烯置于硅棒谐振腔下方,费米能级从0至0.3 eV变化时,器件共振频率的透射峰值调制范围为0.9-0.3,该多模式主动调谐方式在慢光、光开关等方面具有良好的应用价值。3、提出了一种基于新型金属-介质杂化超材料的太赫兹器件来实现电磁诱导透明效应。通过金属结构产生的局域表面等离子体共振作为明模式,来激发硅盘在太赫兹频段弱远场辐射的anapole模式(暗模式)。两种模式在1.654 THz处发生了破坏性干涉,实现了高品质因子的电磁诱导透明现象。该器件的折射率传感灵敏度可达0.414 THz/RIU,并进一步研究了共振的品质因子受材料几何参数的影响,为实现电磁诱导透明传输提供了新的途径。