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物理学报 2019年第20期68卷 292-300页

作者：牛青辰苟君王军蒋亚东电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室

提出一种集成在微桥结构中的二维亚波长周期钛(Ti)金属圆盘阵列结构,以增强太赫兹微测辐射热计的吸收率.基于严格耦合波分析方法,建立吸收结构模型,研究了不同结构的Ti圆盘阵列及其在微桥阵列结构中的太赫兹波吸收特性.周期Ti圆盘阵列... 详细信息

提出一种集成在微桥结构中的二维亚波长周期钛(Ti)金属圆盘阵列结构,以增强太赫兹微测辐射热计的吸收率.基于严格耦合波分析方法,建立吸收结构模型,研究了不同结构的Ti圆盘阵列及其在微桥阵列结构中的太赫兹波吸收特性.周期Ti圆盘阵列结构降低了金属的表面等离子体频率,在太赫兹波段激发伪表面等离子体激元并实现共振增强吸收.共振吸收频率由周期、直径等Ti圆盘阵列的结构参数决定,圆盘厚度则对太赫兹波吸收率有重要影响,微桥结构中的谐振腔结构可降低共振频率并增强耦合效率.设计的微桥探测结构以较小的Ti圆盘阵列周期(37μm)实现突破衍射极限的太赫兹波约束,在3.5 THz (波长85.7μm)实现接近90%的太赫兹波吸收率,满足太赫兹微测辐射热计小尺寸、高吸收及工艺兼容的要求.

关键词：太赫兹微测辐射热计伪表面等离子体激元严格耦合波分析

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周期天线结构增强微测辐射热计阵列太赫兹波吸收研究

周期天线结构增强微测辐射热计阵列太赫兹波吸收研究

引用

作者：牛青辰电子科技大学

学位级别：硕士

太赫兹（THz）波是介于微波与红外光之间的电磁波,波长位于3mm-0.03μm之间,具有多种独特性质,如瞬态性、宽带性、低能性、穿透性、光谱特征吸收等。太赫兹波探测技术是太赫兹波研究与应用的关键技术之一,决定着太赫兹科学技术的发展。... 详细信息

太赫兹（THz）波是介于微波与红外光之间的电磁波,波长位于3mm-0.03μm之间,具有多种独特性质,如瞬态性、宽带性、低能性、穿透性、光谱特征吸收等。太赫兹波探测技术是太赫兹波研究与应用的关键技术之一,决定着太赫兹科学技术的发展。基于微测辐射热计的非制冷红外探测器可扩展用于太赫兹波探测,但传统的红外微测辐射热计微桥结构在THz波段的吸收很弱,导致探测器对THz波的响应与信噪比很低。因此,需要对微测辐射热计微桥结构进行优化设计,以增强其对太赫兹波的吸收。表面等离子体超材料是由人工自主设计的亚波长周期阵列,拥有可调控的电磁参数,可以在某些特定波段达到完美吸收,可用于改善微测辐射热计在太赫兹波段的吸收率。本文以提高微桥结构在低频太赫兹波段的吸收率与增大吸收带宽为目标,基于35×35μm的小尺寸微桥探测单元,设计并集成了多种亚波长周期金属阵列结构,采用严格耦合波分析法与CST软件进行建模仿真与参数优化,并完成探测结构制备与测试验证,研究表面等离子体超材料耦合微桥结构在太赫兹波段的吸收特性。首先设计了钛（Ti）圆盘周期阵列天线并集成在微测辐射热计微桥阵列结构中,基于严格耦合波分析方法,建立吸收结构模型,研究了不同结构的Ti圆盘阵列及其在微桥阵列结构中的太赫兹波吸收特性。周期Ti圆盘阵列结构降低了金属的表面等离子体频率,在太赫兹波段激发伪表面等离子体激元并实现共振增强吸收。共振吸收频率由周期、直径等Ti圆盘阵列的结构参数决定,圆盘厚度则对太赫兹波吸收率有重要影响,微桥结构中的谐振腔结构可降低共振频率并增强耦合效率。设计的微桥探测结构以较小的Ti圆盘阵列周期（37μm）实现突破衍射极限的太赫兹波约束,在3.5THz（波长85.7μm）实现接近90%的太赫兹波吸收率。实验制备了不同直径、周期的亚波长Ti圆盘周期阵列吸收结构,采用傅里叶红外光谱仪进行其太赫兹波吸收特性测试,以验证理论计算结果,并对实验与理论计算结果的差异进行了对比分析。此外,本文在微测辐射热计微桥结构中集成基于开口金属环的周期天线吸波结构,采用CST软件进行建模仿真,研究了微桥结构中不同耦合结构的开口金属环阵列的太赫兹波吸收特性。四开口金属环阵列具有偏振不敏感特性,而且显著降低了吸收结构的等离子体频率,共振吸收频率由开口金属环的开口大小与金属环宽度等参数决定。采用多个开口金属环或将开口金属环与金属圆盘相结合能够使吸收峰相互耦合从而实现宽频吸收。两个开口金属环与圆盘耦合的吸收结构在4-7THz内形成了宽频吸收带,吸收带内的最高吸收率达到90%,最低吸收率为40%。

关键词：太赫兹探测微测辐射热计表面等离子体超材料周期天线阵列共振吸收

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