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基于有机dast晶体的宽带太赫兹辐射源研究

基于有机DAST晶体的宽带太赫兹辐射源研究

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作者：朱先立天津大学

学位级别：硕士

太赫兹波具有光子能量低、频谱范围宽以及穿透能力强等特点,在无损检测、生物医疗、雷达探测等领域有着巨大的发展潜力和广阔的应用范围。作为太赫兹科学技术的关键部分,太赫兹辐射源一直是人们的研究热点之一。非线性差频技术可以产生... 详细信息

太赫兹波具有光子能量低、频谱范围宽以及穿透能力强等特点,在无损检测、生物医疗、雷达探测等领域有着巨大的发展潜力和广阔的应用范围。作为太赫兹科学技术的关键部分,太赫兹辐射源一直是人们的研究热点之一。非线性差频技术可以产生宽带范围内的太赫兹波,在波谱分析及成像领域具有广泛应用。本文从宽带太赫兹辐射源应用需求出发,在制备高质量dast晶体、搭建高性能宽带太赫兹辐射源系统、探究光控dast晶体太赫兹波调控特性等方面进行理论和实验研究,其主要内容和创新点如下:1.优化晶体提纯和生长工艺,生长出高质量dast晶体。采用有机合成方法制备出dast晶体生长原粉,并通过优化原料提纯工艺(过滤和多次重结晶)提高了晶体生长原粉纯度。采用自发成核法和籽晶法生长出大尺寸、高质量dast晶体,单晶尺寸达到4.5×3.5×0.4 mm。探究了晶体生长过程中饱和生长溶液浓度对晶体生长形态和光学性能的影响,并通过获取dast晶体的拉曼光谱,对晶体生色团振动和转动特性进行了分析。2.基于自行生长的dast晶体搭建了结构紧凑、室温运转的宽带太赫兹辐射源系统。从耦合波方程出发,探究了非线性差频过程中三波能量转移特性,理论研究了晶体吸收、相位失配、晶体长度以及双波长泵浦光能量比等因素对差频太赫兹波输出性能的影响,并以此优化了宽带太赫兹辐射源的结构和泵浦参数。采用0类相位匹配外腔差频和电控振镜快速扫描技术,基于dast晶体实现了0.1-20 THz的宽带太赫兹波输出,当双波长泵浦光能量为15 m J/pulse时,在18.9THz处,太赫兹波的最大输出能量达到3.59μJ/pulse,转换效率为2.39×10。3.基于光生载流子对太赫兹波的吸收特性,通过外加激发光场,在dast晶体中实现了太赫兹波的振幅调控。采用激子模型对dast晶体中光生载流子产生机制进行了理论分析,探究了不同波长激光照射下,dast晶体的光电流响应特性,并以此为依据将外加激发光场波长优化到532 nm。采用太赫兹时域光谱系统对532 nm激光照射下dast晶体的介电特性进行了研究,当外加激发光场功率为80 m W时,在0.68 THz处,dast晶体的透过率下降了26%,吸收系数提高了13.7%。此外,在dast晶体中还观察到光生载流子引起的光折变现象。

关键词：太赫兹波有机dast晶体宽带太赫兹辐射源太赫兹波调控

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多层金属超材料中单向无反射及开关应用研究

多层金属超材料中单向无反射及开关应用研究

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作者：薛娓娓延安大学

学位级别：硕士

光子作为一种新兴的信息传递的媒介,具有传输速度快、通信容量大、安全性高、信号传输距离远和数据损耗低等优点而被快速发展及广泛应用。超材料因其特殊设计的微结构能高效地调控和操控光传输,是研究光子信息传递的良好载体。在光学领... 详细信息

光子作为一种新兴的信息传递的媒介,具有传输速度快、通信容量大、安全性高、信号传输距离远和数据损耗低等优点而被快速发展及广泛应用。超材料因其特殊设计的微结构能高效地调控和操控光传输,是研究光子信息传递的良好载体。在光学领域,基于量子PT对称理论和超材料的特殊光学现象——单向无反射传输,有望成为光通信、生物传感器、表面等离子光刻、纳米光子器件和集成电路的基础。文中提出实现单频带和双频带单向无反射的非PT对称金属超材料方案,给出数值计算结果并用散射矩阵和传输矩阵理论研究其产生的物理机制;还研究基于金属超材料和折射率电压可调控材料的光子开关设计方案,并对光子开关参数指标进行评估,主要工作有:(1)设计由银圆盘和金圆盘及光聚合物PC构造的非PT对称双层异质金属超超材料。通过调节和优化双层金属谐振器之间的距离,在入射光从+Z和-Z方向入射时,在波长766.8 nm和785.7 nm处获得双向单向无反射,还在无反射点获得了单向完美吸收。此外,利用散射矩阵和传输矩阵理论得出在系统散射矩阵特征值的合并点会出现单向无反射传输;当系统出现单向无反射传输时,两个谐振器的诱导电流的相位同相;和无反射点处谐振器参数对比,当谐振器半径改变量越大则反射对比率峰值越小且越远离单向无反射点。设计的双层异质金属超材料在实现单向传输时不仅不受入射光偏振的影响,还能在保证单向传输性能的前提下允许制造工艺误差的存在。(2)设计由银圆盘、金圆盘和金圆盘及光聚合物PC构造的非PT对称多层异质金属超材料,通过调节和优化两相邻金属谐振器之间的距离,当光波从+Z方向入射时,在波长737.1 nm和756.8 nm处实现了单向双频带单向无反射传播,还在两个无反射点获得了双频带单向完美吸收。同样,利用散射矩阵和传输矩阵理论得出在系统散射矩阵两个特征值的合并点会出现双频带单向无反射传输;当系统出现双频带单向无反射传输时,两组相邻谐振器的诱导电流的相位同相。设计的多层异质金属超材料的两个单向无反射点之间波长相差不到20 nm,在实现纳米级近距离多点甚至一定带宽的单向设备有潜在的应用价值。(3)基于设计的双层和多层金属超材料,引入折射率电压可调控有机dast晶体材料,实现了两款纳米级光子开关。双层金属纳米开关是在双层金属超材料之间中心位置加入有机dast晶体。调节dast外加偏置电压等于±5 V和±10 V时分别在波长776.8 nm和783.6nm以及波长773.6 nm和787.4 nm获得两组两个开关点,四个开关点的最大调制深度的是100%,最小插入损耗是0.71 d B,双层金属光子开关性能指标优秀,具有较强的实用价值。三层金属纳米开关是在三层金属超材料的两相邻谐振器之间中心位置都加入有机dast晶体。在调节上下dast外加偏置电压值仅为+10 V,及都等于+24V可在波长757.9 nm、779.5 nm、805.1 nm和836.9 nm实现多频带光子开关特性,四个光子开关点的最大调制深度的是98.55%,最小插入损耗是0.70 d B,多层金属光子开关不仅性能优秀,还比双层金属光子开关多两个开关点,在实际应用时更具优势。

关键词：超材料单向无反射单向完美吸收有机dast晶体光子开关

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