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基于亚波长金属孔阵列的光控太赫兹强度调制器(英文)

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红外与激光工程 2014年第12期43卷 4013-4016页

作者：李晨龙冯丽爽周震隋佳伟殷博昊北京航空航天大学惯性技术重点实验室北京100191 北京航空航天大学精密光机电一体化教育部重点实验室北京100191

太赫兹波强度调制器对太赫兹技术的发展至关重要。亚波长金属孔阵列可以激发表面等离子激元,增加入射电磁波的透射效率,极大地提高调制器的调制深度。提出了一种基于表面等离子激元的光控太赫兹波强度调制器。首先给出了器件所依赖的基... 详细信息

太赫兹波强度调制器对太赫兹技术的发展至关重要。亚波长金属孔阵列可以激发表面等离子激元,增加入射电磁波的透射效率,极大地提高调制器的调制深度。提出了一种基于表面等离子激元的光控太赫兹波强度调制器。首先给出了器件所依赖的基本原理;其次利用传统的微纳加工技术在半绝缘砷化镓衬底上制作出二维亚波长金属孔阵列;最后搭建了太赫兹时域光谱系统,测试了器件样品对太赫兹波的透过率。结果表明:亚波长金属孔阵列可以引起透射率的异常增强,且透射率随着泵浦光强的增大而减小,在特定频率点实现了较高的调制深度。此研究为实现高调制深度的太赫兹波强度调制器提供了参考。

关键词：太赫兹波强度调制器亚波长金属孔阵列表面等离子激元

亚波长金属孔阵列表面等离子体特性的单元结构特征依赖性研究

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亚波长金属孔阵列表面等离子体特性的单元结构特征依赖性研究

作者：刘辉南华大学

学位级别：硕士

表面等离子体光子学(Plasmonics)历经十几年的发展,在微纳光子学与集成光子学领域已越来越引起关注,相关研究工作一直是前沿和热点。亚波长金属孔阵列的增强光透射(EOT)是表面等离子体光子学中的一个重要研究方向,由于其背后的物理机制... 详细信息

表面等离子体光子学(Plasmonics)历经十几年的发展,在微纳光子学与集成光子学领域已越来越引起关注,相关研究工作一直是前沿和热点。亚波长金属孔阵列的增强光透射(EOT)是表面等离子体光子学中的一个重要研究方向,由于其背后的物理机制以及潜在的广阔应用前景,它受到众多研究人员的热切关注与研究。本论文采用时域有限差分(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)数值计算方法,探究了亚波长金属孔阵列的单元结构特征对其EOT特性的影响,以及周期性亚波长太极形孔阵列光透射增强的物理机制。主要内容如下:(1)在深入理解表面等离子体的基本概念和性质基础上,总结了增强光透射现象及其相关工作的国内外研究现状与趋势;详细介绍了FDTD方法的基本理论。(2)采用三维FDTD方法,对比数值研究了石英基底上四种单元结构对称性不同的周期性亚波长圆形、纽扣形、半圆形和太极形孔阵列银薄膜的光透射特性,发现金属薄膜的EOT特性强烈依赖于其单元结构对称性:随着单元结构对称性的降低,红外波段的透射峰位置会逐渐红移,红外波段的透射峰与可见光波段的透射峰之间的距离会逐渐增大,归一化透射峰峰值也逐渐增大。分析透射机理,发现在可见光波段,由结构周期性激发的表面等离激元(SPPs)共振模式是这四种阵列结构光透射增强的主导性因素;在红外波段,SPPs共振主导单元结构对称性好的两种阵列结构的光透射特性,而局域表面等离子体(LSPs)模式对单元结构对称性差的两种阵列结构的透射特性有着显著影响。(3)采用三维FDTD方法,数值模拟了石英基底上太极形亚波长孔阵列银薄膜的光学透射特性。结果展示了亚波长太极形孔阵列结构在可见光到中红外波段的EOT现象,并且发现了在透过率谱中出现的三种共振模式,它们归结于银薄膜表面的SPPs模式,小孔中的SPPs共振效应和LSPs共振模式。分别调节入射光的偏振特性、薄膜厚度、小孔尺寸以及阵列周期,发现了透过率谱中出现的谱红移、蓝移、增强、减弱和分裂等有趣现象。

关键词：表面等离子体光子学时域有限差分方法增强光透射亚波长金属孔阵列单元结构特征

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亚波长金属孔阵列表面等离子体透射增强研究

亚波长金属孔阵列表面等离子体透射增强研究

作者：张智北京邮电大学

学位级别：硕士

近年来,由于纳微光学和材料科学的迅速发展,包括表面等离子体振荡效应相关研究在内的纳米尺度金属亚波长结构特性的讨论引起了广泛关注。现今已经有许多基于表面等离子体效应的技术方法及成品器件应用于生物分子探测、物质化学组成分析... 详细信息

近年来,由于纳微光学和材料科学的迅速发展,包括表面等离子体振荡效应相关研究在内的纳米尺度金属亚波长结构特性的讨论引起了广泛关注。现今已经有许多基于表面等离子体效应的技术方法及成品器件应用于生物分子探测、物质化学组成分析、光学传感、硅基太阳能电池及相关领域的科学试验中。金属的表面等离子体效应被认为是联系光信息技术与现已发展成熟的电子信息处理系统相匹配的重要桥梁,为实现光学器件的集成化提供理论可能性。本文对表面等离子体激元的基本原理进行梳理,结合经典麦克斯韦电磁理论,在原有金属与介质阶跃分层的理想化结构模型上考虑介电常数连续变化的自然过渡层带来的影响。并重新推导光与表面等离子体振荡的耦合关系,讨论了在此过渡层结构中等离子体表面波传输的损耗。文章中借助时域有限差分的方法讨论了一种设想的纳米尺度金属条形孔阵列结构。模型为在金属基底刻蚀亚波长尺度周期排列的条形孔结构,通过改变孔的尺寸、阵列几何参数以及向孔内填充硅氧化物介质,同时由于局域波导共振效应和表面等离子体共振效应的共同作用,其仿真的结果显示透射谱峰值对应的波长与孔的几何尺寸及其内部填充介质关系很大。重点比照改变条状孔内填充硅氧化物的高度和改变填充介质的位置两种计算模式下对于透射增强谱的影响。仿真计算结果验证了填充材料的高度与谱线峰值对应波长的线性关系。利用此结构可以克服原有亚波长空阵列结构一旦制作成型,其透射率峰值对应波长便固定所带来的不便。通过在孔中填充一定数量的高折射率介质的方法,达到调整透射增强频段的目的,降低孔阵列结构制作精度要求。在薄膜太阳能电池领域也有利用可能,这种结构可将自然光滤波,并在光电材料效率比较高的光频段得到增强。也可在光信号的处理上得到应用,如配合一定参数为可控的滤波器;不同厚度填充介质的多层结构可实现对一段频率范围内光波的平坦化处理等

关键词：表面等离子体亚波长金属孔阵列透射增强过渡层介质

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基于亚波长金属阵列的太赫兹功能器件研究

基于亚波长金属阵列的太赫兹功能器件研究

作者：董凯电子科技大学

学位级别：硕士

太赫兹科技技术既是重大的基础科学问题，也是国家的重大需求，在短距离无线通信、生物传感、医疗诊断、材料特性光谱检测、以及非破坏式探测等方面均具有潜在的应用，其独特的优越性已普遍被人认识。推动THz技术进一步的发展和实际应... 详细信息

太赫兹科技技术既是重大的基础科学问题，也是国家的重大需求，在短距离无线通信、生物传感、医疗诊断、材料特性光谱检测、以及非破坏式探测等方面均具有潜在的应用，其独特的优越性已普遍被人认识。推动THz技术进一步的发展和实际应用，不仅需要很好的解决可靠廉价稳定的THz源，高灵敏高信噪比的THz探测器，同时还需要提供很好的THz功能器件。然而，由于绝大多数自然物质和已有电子器件和光学器件无法实现太赫兹的有效传输和控制，严重制约了太赫兹技术向实用化方向发展，成为太赫兹领域亟待解决的关键问题之一。本论文针对太赫兹感测与探测技术的应用，研究了亚波长金属孔阵列和电磁超材料在太赫兹波探测和吸收领域的应用，发展出可实用化的新型太赫兹功能器件。本文的主要研究内容： 1．太赫兹波段探测器的研究：优化设计了多种不同孔径和形状的太赫兹波段的亚波长金属孔阵列结构，结合超薄低折射率的聚酰亚胺（PI）薄膜，探索了太赫兹时域光谱技术对超薄低折射率介质的探测灵敏性。利用激光金属打孔技术制备了一系列亚波长金属孔阵列结构，利用太赫兹时域光谱技术测试了阵列结构的反射波谱，获得了强烈的反射共振现象。然后在亚波长金属孔阵列结构背面叠加PI薄膜，结果表明太赫兹反射峰出现了显著向低频移动现象。利用这一现象，实现了低至10μm的PI薄膜的有效探测，说明亚波长金属孔阵列结构在太赫兹传感领域对检测超薄低折射率薄膜材料有极强敏感性。 2．“工”字型宽频吸收器的研究：基于电磁超材料设计了多种不同参数的吸收结构。提出通过优化多频吸收结构，使吸收峰相互叠加获得宽频吸收器的方法。基于“工”字型结构的宽频吸收器设计;在微细加工平台制备出宽频吸收器，并在TDS太赫兹时域波谱测试系统进行测试及结果分析。太赫兹波以0°、45°、90°、135°、180°入射到吸收器上，其中在特定角度，譬如90°入射的时候，吸收效果明显要好与其他角度，在1.25THz—1.55THz频段获得了宽频吸收峰。并且在多个频点吸收率达到了90%以上，吸收峰频段也超过了100GHz，实现了宽频吸收效应。

关键词：太赫兹亚波长金属孔阵列电磁超材料探测吸收

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太赫兹波段金属孔阵列电调控基础研究

太赫兹波段金属孔阵列电调控基础研究

作者：张莹云南师范大学

学位级别：硕士

太赫兹波的优异特性决定了太赫兹波在生物医学、安全检测、通讯和成像等领域都有巨大的应用潜能，但目前太赫兹调制器件缺乏，应用受到限制。而太赫兹波透过亚波长金属孔阵列有异常增强的现象，因此亚波长孔阵列的电控太赫兹透射有重大... 详细信息

太赫兹波的优异特性决定了太赫兹波在生物医学、安全检测、通讯和成像等领域都有巨大的应用潜能，但目前太赫兹调制器件缺乏，应用受到限制。而太赫兹波透过亚波长金属孔阵列有异常增强的现象，因此亚波长孔阵列的电控太赫兹透射有重大的研究意义。本论文的主要工作包括：1.基于光电导天线产生和探测太赫兹的原理，搭建了光电导天线产生和探测太赫兹时域光谱系统。2.基于光整流的原理和平衡探测的方式，搭建了电光晶体产生和探测太赫兹时域光谱系统。并用理论与实验结合的方式，讨论了泵浦光的偏振方向相对于（110）晶面的ZnTe晶轴的取向对产生太赫兹的影响。利用椭圆折射率的方法讨论在太赫兹作用下晶体的电光效应。3.运用实验室搭建的太赫兹时域光谱系统测量获得太赫兹经过周期性亚波长金属孔阵列的异常增透现象。在外加电压的情况下，太赫兹透过率在谐振频率处增强，且透过率随电压的增大而增大，在一定范围内可调。这种现象是由于周期性金属孔阵列的非线性电效应，并通过测量的V-I特征曲线得予证实。

关键词：太赫兹时域光谱系统表面等离子激元太赫兹波增透亚波长金属孔阵列

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基于VO2薄膜的THz波调制器件研究

基于VO2薄膜的THz波调制器件研究

作者：董杰天津大学

学位级别：硕士

由于具有其他波段无法比拟的特点，THz波在成像、通信、生物医学等众多领域都具有广阔的应用空间。而THz技术要真正步入实际应用，相应的调制器件是必不可少的，所以随着THz波发射和探测技术的不断发展，对THz调制器件的研究也越来越引... 详细信息

由于具有其他波段无法比拟的特点，THz波在成像、通信、生物医学等众多领域都具有广阔的应用空间。而THz技术要真正步入实际应用，相应的调制器件是必不可少的，所以随着THz波发射和探测技术的不断发展，对THz调制器件的研究也越来越引起人们的重视。本论文旨在利用VO2薄膜的相变特性通过对THz波振幅进行调制以实现THz频率范围的滤波功能。首先，对调制器件相关材料在THz波段的具体参数进行了提取。为此，推导了一般情况下材料参数与THz波透过谱之间的关系，并且根据材料厚度的不同，分别对块状晶体和薄膜材料分别进行讨论计算。最终根据上述理论求得了论文中涉及到的蓝宝石基底和VO2薄膜在THz波段的折射率、电导率以及介电常数等信息。其次，利用具有快速退火工序的磁控溅射手段制备了VO2薄膜，并且利用THz时域频谱系统研究了经过不同退火温度和退火时间处理过的VO2薄膜的光致相变特性。通过分析相变深度、相变点宽度、相变阈值等参数，得出退火温度和退火时间分别为560°和60s时，制备的VO2薄膜相变性能最好，对于THz波可以获得将近80%的调制度。同时也对VO2薄膜的热致相变进行了研究，获得的结果跟光致相变相一致。最后，把具有相变特性的VO2薄膜与金属孔阵列的表面等离子激元(SPP)相结合，通过改变金属孔结构形状和介电层实现了对THz波的灵活调制。经过理论模拟，分别得出十字结构的SPP共振特性与十字形状以及基底VO2薄膜电导率之间的关系。之后通过光刻手段，以VO2薄膜作为基底，在上面获得了线宽为10μm的金属铜SPP结构。实验结果也论证了模拟结果，最终获得了31.5%的谐振中心频率偏移量。

关键词： THz波调制 VO2薄膜绝缘-金属相变表面等离子激元亚波长金属孔阵列