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作者：隋传帅中国计量大学

学位级别：硕士

超材料(Metamaterial)是人工设计的具有亚波长结构的周期性排列电磁复合材料。谐振是超材料的最基本属性,而高品质因子(q)谐振可通过高q电磁谐振或电磁诱导透明(Electromagnetically Induced Transparency,EIT)等方法来实现。高q超材料... 详细信息

超材料(Metamaterial)是人工设计的具有亚波长结构的周期性排列电磁复合材料。谐振是超材料的最基本属性,而高品质因子(q)谐振可通过高q电磁谐振或电磁诱导透明(Electromagnetically Induced Transparency,EIT)等方法来实现。高q超材料谐振器由于在高灵敏度传感、窄带滤波、电磁波调制、光存储及慢波器件等领域具有重要应用而受到研究人员广泛关注。超材料可分为金属超材料和介质超材料。由于金属超材料存在固有的金属材料欧姆损耗,限制了高q谐振的实现,特别是在光波段,欧姆损耗更大。而全介质超材料则避免了欧姆损耗,为实现高q谐振提供了可能途径。但目前这方面报道还很少。本文主要研究内容如下:(1)设计了一种全介质对称结构超材料高q谐振器。该谐振器是由石英衬底和衬底之上矩形硅棒阵列构成。当入射电磁波电场垂直于硅棒时,可以激发硅棒的环偶谐振(介质谐振器TE模式),通过调节棒与棒之间的距离可实现强的电磁场近场耦合,从而提高谐振q值,优化设计后的计算q值高达10。另外,在入射电磁波电场平行于硅棒时,则可实现高q Mie磁谐振(介质谐振器TM模式)。(2)将超材料作为光栅与平板波导结合,设计了一种基于导模谐振的全介质电磁诱导透明超材料谐振器。谐振器结构由石英波导层和位于波导层之上的二维周期性介质硅棒构成。通过二维介质棒的衍射作用,使得入射电磁波耦合入波导层中,低q Mie谐振和高q导模干涉相消形成类EIT效应。通过优化硅棒几何参数,从而改变光栅调制深度,实现高q谐振。仿真计算获得的q值可达27000,群折射率为5000。(3)提出了一种“S”型电磁诱导透明全介质超材料谐振器。该谐振器是由“S”型硅条和石英衬底构成。通过破坏“S”型结构的对称性,使得低q环偶极谐振与高q磁偶极谐振相互干涉相消形成类EIT效应。计算类EIT谐振q值高达10,且振幅保持在0.85以上,用于折射率传感中灵敏度为335nm/RIU。(4)作为与全介质超材料谐振器的对比,我们设计并制备了“S”型电磁诱导透明金属超材料谐振器。该结构同样是破坏“S”结构的对称性来实现对EIT谐振的调控,在不考虑衬底材料的损耗时计算最高q值为54。由于实际材料损耗及实验误差的限制,实验中获得的q值为14,与数值计算相符。

关键词：全介质超材料电磁诱导透明高q谐振导模谐振

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太赫兹人工表面等离子体共面激发与高q传感

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中国光学（中英文） 2023年第4期16卷 933-947页

作者：严德贤程钢李尔平李向军章雪茹吴依琳浙江大学信息与电子工程学院浙江杭州310027 中国计量大学信息工程学院、浙江省电磁波信息技术与计量检测重点实验室浙江杭州310018

本文提出使用单层光栅超表面结构耦合的方式实现太赫兹人工表面等离子体激元(SSP)共面激发,克服了通过介质耦合器在实际应用时需要反射测量等缺点。在单层金属结构上同时构造周期性光栅和太赫兹SSP复合结构,当太赫兹波垂直入射时,可实... 详细信息

本文提出使用单层光栅超表面结构耦合的方式实现太赫兹人工表面等离子体激元(SSP)共面激发,克服了通过介质耦合器在实际应用时需要反射测量等缺点。在单层金属结构上同时构造周期性光栅和太赫兹SSP复合结构,当太赫兹波垂直入射时,可实现光栅波矢和SSP波矢相匹配,激发SSP模式,在透射谱中可以产生高q值谐振峰,其q因子可以达到1923。分析了结构参数对光栅耦合超表面透射谱以及色散特性的影响。基于该结构透射谱中的高q谐振峰进行传感研究,在谐振中心频率为0.22 THz时,实现传感灵敏度为67 GHz/RIU。本文所提出的光栅耦合超表面复合结构仅使用单层超表面结构实现了太赫兹SSP模式的激发以及高q传感,在诸多实际应用领域具有较大的研究潜力。

关键词：太赫兹超表面人工表面等离子体激元高q谐振传感

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基于连续谱束缚态的高q太赫兹全介质超表面

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激光技术 2022年第5期46卷 630-635页

作者：王鹏飞贺风艳刘建军井绪峰洪治中国计量大学太赫兹技术与应用研究所杭州310018

为了研究基于连续谱束缚态(BIC)高品质因子q谐振,提出了由双空心硅圆柱体组成太赫兹全介质超表面。采用数值模拟方法对结构的透射光谱及电磁场图进行了分析,并利用本征模分析的方法研究了超表面结构参数对BIC频率的影响,给出了该BIC超... 详细信息

为了研究基于连续谱束缚态(BIC)高品质因子q谐振,提出了由双空心硅圆柱体组成太赫兹全介质超表面。采用数值模拟方法对结构的透射光谱及电磁场图进行了分析,并利用本征模分析的方法研究了超表面结构参数对BIC频率的影响,给出了该BIC超表面在太赫兹大频率范围工作的参数设计方法。结果表明,在3.0THz左右实现了一个可调高q环偶极Fano谐振;本征模式的分析计算结果与入射电磁波模式的分析计算结果对称性不匹配,该超表面支持的是一个对称保护BIC。此研究为基于BIC的高q超材料在超低阈值激光器件、非线性光学谐波产生及高灵敏度传感等领域的应用提供了理论参考。

关键词：光学器件连续谱束缚态多极子分析全介质超表面高q谐振太赫兹

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高q太赫兹全介质BIC超表面研究

高Q太赫兹全介质BIC超表面研究

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作者：王鹏飞中国计量大学

学位级别：硕士

高品质因子(quality factor,q)超表面由于强的局部电磁场增强效应在高灵敏度传感、激光器、窄带滤波及非线性谐振等领域有重要的应用前景。近期对连续域束缚态(Bound States in the Contimuum,BIC)研究进展表明,光波段超表面高q谐振得... 详细信息

高品质因子(quality factor,q)超表面由于强的局部电磁场增强效应在高灵敏度传感、激光器、窄带滤波及非线性谐振等领域有重要的应用前景。近期对连续域束缚态(Bound States in the Contimuum,BIC)研究进展表明,光波段超表面高q谐振得到了迅速发展,实验获得的准BIC的最高q值达到了10～4以上,并在超表面中同时观测到了光学二次及三次非线性谐波。然而,在太赫兹波段由于材料的吸收损耗、谐振单元结构设计加工及高信噪比高分辨率波谱测量等原因,超表面中获得高q谐振仍然是一项挑战性的工作,国际上实验获得的最高q值目前仅为～250。本论文围绕太赫兹波段高q谐振全介质BIC超表面展开,主要研究工作及成果如下:(1)设计了几种基于对称保护BIC的聚合物基底硅结构太赫兹全介质超表面。采用电磁波数值模拟计算了超表面的透射光谱和近场电磁场分布,多极子谐振及本征模分析表明设计的超表面支持对称保护纵向环偶BIC。研究了超表面结构参数对BIC频率的影响,给出了BIC超表面在太赫兹大频率范围工作的参数设计方法。论文还基于高q准BIC谐振计算了超表面的折射率传感特性,传感器的灵敏度为254 GHz/RIU(Refractive index unit),品质因子FOM(Figure of merit)为2423。(2)设计并实验实现了一种由四聚体空气孔组成的全硅太赫兹高q BIC超表面。在0.2～1.0 THz范围内,该超表面支持两个Friedrich–Wintgen(F–W)BIC。提出两种通过改变结构参数的方法,使F–W BIC塌陷为有限q值的准BIC Fano谐振。通过深反应离子刻蚀制备了谐振器件,采用高分辨率太赫兹频域波谱系统进行了谐振性能测量,并对仿真和实验测量结果进行了分析比较。实验获得的偏振不敏感准BIC谐振的q值高达1049,为目前国际报道最高q值的4倍以上。此外,利用高q超表面,我们进行了具有低激发功率的太赫兹强度调制。上述研究成果将对国际高q太赫兹超材料的研究和应用起到有力的推动作用。

关键词：高q谐振全介质超表面连续域束缚态多极子分析

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