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基于FDTD的亚波长孔阵列金属薄膜光透射率研究

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基于FDTD的亚波长孔阵列金属薄膜光透射率研究

作者：文明南华大学

学位级别：硕士

Ebbesen等人在1998年首次在实验中观察到亚波长圆孔正方阵列金属薄膜的光超强透射(Extraordinary Optical Transmission, EOT)现象,并分析孔径、孔周期、薄膜厚度、金属类型和孔点阵类型等因素对孔阵列金属薄膜的透过率的影响。为了理... 详细信息

Ebbesen等人在1998年首次在实验中观察到亚波长圆孔正方阵列金属薄膜的光超强透射(Extraordinary Optical Transmission, EOT)现象,并分析孔径、孔周期、薄膜厚度、金属类型和孔点阵类型等因素对孔阵列金属薄膜的透过率的影响。为了理解光超强透射现象的物理本质,人们对其进行了大量的实验和理论研究。普遍认为,孔阵列金属薄膜的EOT现象与表面等离子体激元(Surface Plasmon Polaritons, SPPs)效应紧密相关。本论文进一步探索亚波长孔阵列金属薄膜的EOT现象的物理机制,理解SPPs效应与光超强透射效应之间的联系,采用时域有效差分(Finite Difference Time Domain, FDTD)方法模拟超快激光脉冲垂直照射亚波长圆孔阵列金属薄膜的物理过程的电磁场分布。本文的主要包括以下内容:(1)表面等离子体激元是沿着金属表面传播的表面波,垂直于表面的电磁场分量按离表面的距离指数衰减。SPPs具有光场局域化和局域场增强等独特性能,在很多领域有其广泛的应用。并详细介绍电磁场的时域有限差分数值方法及吸收边界条件和周期性边界条件。(2)总结了描述色散金属的介电系数的Drude模型、Lorentz模型和Drude-Lorentzs模型三种模型,并介绍采用增加辅助变量及相应的辅助差分方程(additional (auxiliary) differential equation, ADE)的方法,把金属的色散特性引入到时域有限差分迭代方程中,得到不同的模型相应的FDTD离散迭代求解方法。(3)采用Drude模型描述金属银的介电系数,通过时域有限差分数值方法模拟飞秒激光脉冲通过孔阵列银薄膜相互作用后产生的电磁场分布,然后通过傅里叶变换求其透过率谱。主要计算了正方和正六角孔阵列的不同结构参数(孔径、孔周期、薄膜厚度)和入射光不同偏振方向对垂直入射到亚波长圆孔阵列银薄膜的透过率的影响,分析和讨论其物理过程,得到主要结论:1)孔周期决定透过率峰值位置,在孔径与孔周期之比为2/3附近时,其归一化透过率峰值表现为最大;2)孔阵列的透过率一般随着银薄膜厚度增大而逐渐减小;透过峰的宽度随柱状孔的纵横比(薄膜厚度与孔径之比(T/D))值变小而变宽;3)在正方阵列中,波长为孔周期处,孔阵列的透过率一般为极小值;4)亚波长圆孔正方阵列银薄膜的透过率不随着入射光偏振方向变化而变化,而亚波长圆孔正六角阵列银薄膜的透过率随着入射光偏振方向变化而变化,特别是在波长为孔周期处变化较大。

关键词：亚波长孔阵列超强透射效应表面等离子体激元时域有限差分方法偏振方向

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从光子晶体效应到表面等离子波的实时演变

物理 2007年第7期36卷 507-510页

作者：韩家广 Abul K.Azad 张伟力许景周陈坚张希成美国俄克拉荷马州立大学电子与计算机工程系俄克拉荷马州静水城74078 美国伦斯勒理工学院太赫兹研究中心纽约州特洛伊12180

文章报道了激光诱导太赫兹表面等离子谐振效应。采用激光抽运-太赫兹波探测技术,实时改变单晶硅中的载流子浓度,使其介电特性从类绝缘体演变为类金属导体,以支持表面等离子谐振效应,进而实现太赫兹波在周期性亚波长单晶硅孔阵列中的实... 详细信息

文章报道了激光诱导太赫兹表面等离子谐振效应。采用激光抽运-太赫兹波探测技术,实时改变单晶硅中的载流子浓度,使其介电特性从类绝缘体演变为类金属导体,以支持表面等离子谐振效应,进而实现太赫兹波在周期性亚波长单晶硅孔阵列中的实时可控制谐振增强传输。同时还通过实验观测到太赫兹波从光子晶体效应到表面等离子波的实时演变。文章作者采用Fano模型对实验结果进行模拟分析,获得了与实验数据一致的理论拟合。

关键词：太赫兹波表面等离子谐振效应激光抽运-太赫兹波探测亚波长孔阵列单晶硅

双电子注Smith-Purcell超辐射的模拟研究

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双电子注Smith-Purcell超辐射的模拟研究

作者：许傲然电子科技大学

学位级别：硕士

太赫兹(Terahertz,THz)波是指频率在100GHz至10THz,波长在30μm至3mm之间的电磁波(简称太赫兹),其长波段与毫米波、亚毫米波相重合,短波段与红外线重合,因此太赫兹在频谱上处于一个十分特殊的区域,这使得太赫兹波具有许多独特性质,而这... 详细信息

太赫兹(Terahertz,THz)波是指频率在100GHz至10THz,波长在30μm至3mm之间的电磁波(简称太赫兹),其长波段与毫米波、亚毫米波相重合,短波段与红外线重合,因此太赫兹在频谱上处于一个十分特殊的区域,这使得太赫兹波具有许多独特性质,而这些性质让太赫兹技术在许多领域都有广阔的应用前景。对太赫兹辐射源的研究是太赫兹科学技术发展的重中之重,其中利用真空电子学的方法来设计太赫兹源是行之有效的一种方式。但是小型化电真空器件在太赫兹频段的发展受到了起振电流的限制,因此本文提出采用双电子注通过由光栅与亚波长孔阵列组成的特殊波导结构的方法来降低起振电流,这对太赫兹辐射源的研究具有重要意义。本论文的具体研究内容如下:(1)本文提出了一种新型的光栅与亚波长孔阵列组成的特殊波导结构,推导出冷腔条件下该结构的色散方程并绘制色散曲线,比较不同参数对结构色散特性的影响。(2)本文利用仿真软件CST和粒子模拟软件绘制结构的色散曲线,并与理论得到的色散曲线相比较。结合结构色散,设置合适工作点,设计出一组参数,在粒子模拟软件二维模拟中,使得亚波长孔阵列波导可结构在外加电压为35kv时,产生100GHz的表面波,200GHz的超辐射波,在该参数下,比较单注通过光栅,单、双注通过亚波长孔阵列波导结构三种情况下的起振电流。在第一组参数的基础上,设计出另外一组参数,使得亚波长孔阵列波导结构在外加电压为50kv时,能产生300GHz的表面波,600GHz超辐射波,同样,比较该参数下三种情况的起振电流。结合两组数据的仿真结果,验证了利用双电子注通过亚波长孔阵列波导结构可以降低起振电流的猜想。(3)本文分析横向尺寸对周期结构的色散以及传播模式的影响,并设计一组三维参数,利用粒子模拟软件对其进行三维模拟,可在外加电压为18kv,入射电流密度为30A/cm2的条件下,产生表面波频率约为137GHz的表面波,274GHz的超辐射波。

关键词：太赫兹双电子注光栅亚波长孔阵列 Smith-Purcell超辐射

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基于高阶模的太赫兹辐射源研究

基于高阶模的太赫兹辐射源研究

作者：赵德强电子科技大学

学位级别：硕士

太赫兹辐射源的研究一直是太赫兹科学发展的关键技术,真空电子器件是重要的太赫兹辐射源之一。随着频率的增加,高阶模工作是高频真空电子器件克服频率限制的一种有效方法。模型竞争是目前高阶模工作需要解决的关键问题。电子注从中间穿... 详细信息

太赫兹辐射源的研究一直是太赫兹科学发展的关键技术,真空电子器件是重要的太赫兹辐射源之一。随着频率的增加,高阶模工作是高频真空电子器件克服频率限制的一种有效方法。模型竞争是目前高阶模工作需要解决的关键问题。电子注从中间穿过亚波长孔阵列结构,可以产生窄带增强的Smith-Purcell辐射。基于这种辐射特点提出了克服高阶模工作中模式竞争的新思路,并设计了工作电路。下面为主要的工作内容:论文首先基于电子穿过亚波长孔阵列结构产生的窄带增强Smith-Purcell辐射分析了该窄带增强辐射的特征和产生原因。然后,介绍了真空电子器件相关的特性参数,为后续将该辐射与真空电子器件结合来研究和和设计太赫兹辐射源提供了理论基础。根据上述窄带增强辐射现象提出了改善高阶模工作真空电子器件模式竞争的新设计方法。首先,在阵列周期确定时,孔长边可以调节Smith-Purcell辐射的峰值频率,根据预期器件的工作频率确定孔长边的值,并设置Smith-Purcell辐射主频带。然后,根据谐振腔高度与高阶模频率的对应关系,设计合适的谐振腔。最后,加上合适的输出结构,完成了腔体电路设计。根据上述方法,我们设计了工作在TM模,频率为468GHz的辐射源,并获得了 10W以上的仿真输出。并且进一步探索了该设计方法改善模式竞争的机制。为了研究该设计方法的适用性,从两个角度出发,快速设计了工作在不同高阶模的辐射源。首先,保持亚波长孔阵列不变,改变谐振腔的高度,使得TM模、TM模分别落到主频带,设计了工作在TM模、TM模的辐射源。如果保持谐振腔高度不变,调整孔长边的值来改变Smith-Purcell辐射主频带,使之分别对应到TM模和TM模,也可控制辐射源在TM模、TM712π模工作。带状电子注相对于圆柱形电子注在高频波段表现出了许多优点。本文采用带状电子注设计了工作频率为350GHz、工作模式为TM模的工作电路,获得了205W的输出功率。将Smith-Purcell辐射机制,引入互作用腔体电路结构设计,使其工作在高阶模同时抑制模式竞争,这为真空电子器件向太赫兹方向发展,提供了一种重要且可行的设计思路。

关键词：亚波长孔阵列 Smith-Purcell辐射真空电子器件高阶模带状电子注

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新型毫米波EIA器件机理研究

新型毫米波EIA器件机理研究

作者：戢予电子科技大学

学位级别：硕士

为了促进毫米波技术的发展,我们急需一款稳定输出的毫米波-太赫兹辐射源。而扩展互作用速调管放大器同时具有一种高增益、高功率,且可以小型化的特性,因此一直是真空器件研究的一项重点。本文采用将亚波长孔阵列与传统梯形线电路相结合... 详细信息

为了促进毫米波技术的发展,我们急需一款稳定输出的毫米波-太赫兹辐射源。而扩展互作用速调管放大器同时具有一种高增益、高功率,且可以小型化的特性,因此一直是真空器件研究的一项重点。本文采用将亚波长孔阵列与传统梯形线电路相结合而形成的新型高频结构来设计EIA,具体工作如下:提出了基于传统梯形线-梯形亚波长孔阵列结构构建的谐振腔的扩展互作用速调管放大器。首先分析了传统梯形线-梯形亚波长孔阵列谐振腔单间隙场分布特性,确定其工作于TM-2π模式时最符合我们设计EIA的需要。接着调节各个横向结构参数,包括谐振腔的宽和高、耦合腔的宽和高、亚波长孔的形状及大小等,探究这些参量对电场分布,色散特性,耦合特性的影响。由此得到结论:谐振腔高度h0对谐振频率的影响最大,而当耦合腔宽度hr增大时,谐振频率变化不大;而对于特性阻抗而言,谐振腔高度h0变化基本上对R/Q不产生影响,增加耦合腔宽度hr或者减小谐振腔宽度w都会使R/Q迅速增大。将传统梯形线-梯形亚波长孔阵列谐振腔调整至最佳性能后,把其作为本文EIA的中间腔,并对该结构是否具备对加工产生的不对称性具有容错能力进行了简要分析。同时根据此新型高频结构,令亚波长孔的横截面形状改为矩形,分别设计了工作于TM-2π模式的输入输出腔和工作于TM-2π模式的输入输出腔。选择工作于TM-2π模式的输入输出腔设计EIA,设置谐振腔腔体壁导电率为5.8*10 S/m。将EIA设计为六腔体结构,对每个中间腔进行参差调谐,以获得更宽的带宽。调节工作参量,使EIA工作在最佳位置,最后调整电子注电压为14.8k V、工作电流大小为74 m A,且输入信号的功率大小为20 m W、频率为230.7 GHz,我们得到了工作于毫米波波段,增益为28.53 dB、输出功率为14.26 W、-3 dB带宽超过1.3 GHz的EIA。定义增益超过20 dB的带宽为工作带宽,则该EIA的工作带宽超过了2.7 GHz。由于上述EIA有两个谐振腔的谐振频率完全相同,导致当输入频率接近这两个腔的谐振频率时,对电子注的调制会过深,出现过群聚的现象,使EIA无法完全稳定。此外,电子注在上述EIA的输出腔的注波互作用效果不强。所以首先我们重新选择工作于TM-2π模式的输入输出腔设计EIA,把电导率设为2.5*10 S/m,降低Q值,使腔体里的振荡减小。对每个中间腔进行参差调谐,调整EIA的工作参量,使其工作在最佳状态。在电子注电压为14.9 k V、电流大小为0.78 A,且输入功率大小为20 m W时,优化得到了工作于230.7 GHz,增益为44.69 dB、输出功率为589 W、效率为5.07%、-3 dB带宽超过1.1 GHz,工作性能出色的毫米波EIA。最后,我们通过调节输入输出腔的结构参数,调整漂移管长度,降低磁场为0.38 T,来降低电流到0.29 A,输入频率231 GHz、功率为20m W的信号,最终得到增益为35.05 dB、输出功率为64 W、-3 dB带宽超过1.1 GHz的EIA。

关键词：毫米波辐射源扩展互作用速调管放大器亚波长孔阵列梯形线结构参差调谐

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周期微纳结构辐射及其在THz源的应用

周期微纳结构辐射及其在THz源的应用

作者：舒靖电子科技大学

学位级别：硕士

太赫兹技术在现代通信、生物医学工程、材料科学、物理研究等领域都表现出巨大的潜力。太赫兹辐射源是太赫兹技术的关键。电子束激励的太赫兹辐射源是其中重要的一类。它依赖于电子与物质结构互作用,而物质的结构又依赖于微纳加工工艺... 详细信息

太赫兹技术在现代通信、生物医学工程、材料科学、物理研究等领域都表现出巨大的潜力。太赫兹辐射源是太赫兹技术的关键。电子束激励的太赫兹辐射源是其中重要的一类。它依赖于电子与物质结构互作用,而物质的结构又依赖于微纳加工工艺。微纳加工工艺逐渐变得更加可靠、稳定,促进了电子束激励的太赫兹辐射源的发展,如何获得最大的辐射成为人们研究和关注的重点。本文研究了光子晶体及其衍生结构和亚波长孔阵列在自由电子激励下的太赫兹辐射,其中的辐射特性和机制被重点研究。主要工作如下:1.研究了光子晶体中的偶极子振荡效应和谐振效应。对不同排数光栅的辐射机制和仿真结果进行了详细的讨论与分析。光栅排数增多会增加偶极子振荡的数目,从而实现辐射的增强。对于四排光栅,谐振效应可以调节辐射峰值的频率。周期增大,谐振频率降低。增大光栅齿宽,减小柱体间距,从而增强谐振,会增强辐射。电子速度在一定范围内,不影响光子晶体中的谐振效应增强辐射的作用。利用这两个效应,研究了电子轨道和加载缺陷对辐射的增强作用。控制入射电子的路径可以调节辐射的空间分布和频率分布,提升能量转换效率;加载矩形缺陷可以增强光栅的辐射。2.基于流体动力学理论,研究了通过改变横向位移使得复合光栅成为离散的上迎风结构或下迎风结构,分析了它们在自由电子激励下的辐射响应。调控横向位移,使得辐射能量在上、下空间实现不均匀的分配。3.研究了亚波长方孔阵列在太赫兹波段的异常透射,分析了宏观上的Bloch模式和微观上的准柱面波的解释,以及研究了结构参数对透射的影响。得到了截止频点与周期的关系式。4.研究了亚波长孔阵列的结构参数对辐射的影响。以周期归一化,得到对应频率下具有最优辐射的亚波长孔阵列的结构参数。孔的长边影响辐射峰值的分布和强度;短边缩小,频带变窄;厚度增大,强度增强,频带变窄。当孔的长边为1.6-1.75、短边为0.2-0.35、厚度为0.75-1.25倍周期时,可以得到频带窄、辐射强的亚波长孔阵列。由此,设计了一个工作在650 GHz的亚波长孔阵列源。

关键词：光子晶体亚波长孔阵列微纳结构 Smith-Purcell辐射

亚波长结构太赫兹仿表面等离子体波的研究进展

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真空电子技术 2022年第3期35卷 1-8页

作者：张平孙海舟电子科技大学电子科学与工程学院四川成都611731 中国电子科技集团公司第十二研究所北京100015

本文回顾了亚波长孔阵列异常光学透射现象及其物理机制的研究过程,并聚焦于太赫兹波段异常透射现象和在这一现象中起主要作用的仿表面等离子体波。从这种仿表面等离子体波的提出到实验验证以及一些重要的应用,展示了如何通过微纳结构来... 详细信息

本文回顾了亚波长孔阵列异常光学透射现象及其物理机制的研究过程,并聚焦于太赫兹波段异常透射现象和在这一现象中起主要作用的仿表面等离子体波。从这种仿表面等离子体波的提出到实验验证以及一些重要的应用,展示了如何通过微纳结构来产生这种仿表面等离子体波的方法,并将这种仿表面等离子体波应用到太赫兹电子学辐射源、太赫兹量子级联激光器,太赫兹传输器件和太赫兹辐射调控等方面。通过仿表面等离子体激元来操纵太赫兹波的方法将会对下一代太赫兹光子器件产生有益的影响。

关键词：亚波长孔阵列异常光学透射仿表面等离子体波