基于太赫兹超表面的微纳器件的设计及研究

作     者：张雪纯 

作者单位：东南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：董正高

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 超表面 传输相位 几何相位 

摘      要：近几年,随着5G通讯技术的迅速发展,太赫兹正因其优越的特性而受到越来越广泛的关注。在电磁光谱中,太赫兹位于微波段和红外波段之间,作为宏观电子学向微观光子学过渡的频段,其光子能量低、穿透力高、分辨率高的特点也使其在环境遥感、高速通讯、公共安全、生物医学以及航天等方面具有巨大的应用前景。在太赫兹的应用中,太赫兹波前调控也起着重要作用。但是,由于目前自然界存在的天然材料与太赫兹波的相互作用比较弱,并且传统的太赫兹器件有较大的体积并且效率较低,在应用中受到了很多限制。电磁超材料的出现弥补了天然材料的一些不足,然而在微纳米尺度下,超材料具有高损耗和三维制造困难等缺点,使得超材料难以应用。随后,一种亚波长厚度的二维平面超材料——超表面的出现为调控电磁波提供了新的方式。二维超表面与三维超材料相比具有体积小、易制造、损耗低,所以,超表面在很多应用领域下可以代替大体积的三维超材料结构,具有更大的发展空间。围绕超表面对太赫兹波的波前调控进行研究,本论文主要内容安排如下:(1)介绍了太赫兹、超表面的研究背景和研究意义。最后综述了近年来的超表面文献,以及讨论本文的结构安排。(2)介绍了斯涅尔原理,超表面相位调控原理:传输相位调控和几何相位调控以及本文在科学研究中用到的仿真方法,时域有限差分法,及基于该方法的软件CST微波工作室和FDTD Solutions。(3)基于传输相位理论,设计了一种具有光涡旋聚焦特性的硅棒超表面,该超表面对正交线偏振太赫兹波具有双功能特性。硅棒超表面通过调整棒材的横向尺寸来实现全相位调制,而无需考虑几何相位的各向异性取向要求,因此无需进行偏振转换,具有很高的效率。并且全介质超表面可以实现复杂光场的全矢量操纵,而无需面对金属等离激元的损耗问题。(4)基于几何相位理论,设计了一种反射型宽带超表面,其单元结构能够在较宽波段实现偏振转换,通过对单元结构的排布能够实现偏振转换,一维聚焦,二维聚焦,实现异常折射以及产生涡旋。(5)对全文进行总结与展望。