偏振相关的太赫兹超材料的电磁响应和主动调控特性研究

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1、偏振相关的太赫兹超材料的电磁响应和主动调控特性研究Researchontheelectromagneticresponseandactivecontrolcharacteristicsofpolarization-dependentterahertzmetamaterials工程领域：光学工程作者姓名：张宁指导教师：欧阳春梅副教授企业导师：季海兵高级工程师天津大学精密仪器与光电子工程学院二零一七年十一月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他人

2、已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名:磁虹签字日期:冫9/⒎年/△月扌/日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名

3、:彬k彳导丿币签名:签字日期:叩lT年月7日签字日期:乃年7日`η`2月`△摘要超材料是一种由大量亚波长量级的“人工结构单元”组成的人工复合材料，因其具备天然材料所不具备的独特的电磁特性而备受关注。然而，超材料一旦加工完成便难以改变超材料自身固有的电磁响应特性。偏振相关的超材料可以在已构建的超材料中实现多重电磁响应和多功能特性，为构建光子集成器件起到很重要的作用。此外，在超材料结构中引入可主动调控的材料（如半导体、液晶和石墨烯等），通过光/电的激励，可以改变这些材料的电磁特性，因此实现对入射电磁波的主动操控。本文我们主要研究了两种偏振相

4、关的太赫兹超材料，并实现了对太赫兹波的主动调控。相关的设计、仿真、样品加工方法以及实验测量都会在本文中加以说明，具体内容为：1.首先介绍了太赫兹技术的发展历史和应用价值，以及太赫兹波的发射源和探测方式。随后介绍了超材料的研究背景和发展现状，重点给出主动式超材料的研究历程。为更清楚地解释超材料的耦合机制，论文中介绍了一些超材料领域常用的理论模型。2.从数值仿真和实验测量方面详细介绍了所设计的A型太赫兹超材料的偏振依赖的电磁响应特性。当入射太赫兹波水平偏振时，透射窗口由低频电感-电容谐振和高频高阶反对称模式的谐振谷叠加而成。当入射太赫兹波竖

5、直偏振时，透射窗口源自电磁诱导透明现象。通过对水平和竖直偏振激发所得到的透射谱中的特征频率处的电流分布和电场分布的分析，得出这种A型超材料的偏振敏感特性的成因。同时我们还分析了几何参数的变化对A型微结构的透射谱产生的影响。这种偏振依赖的微结构可以有效调制电磁波，为超材料的设计提供更加灵活的设计思路。3.本文第二个工作着重展示了一种新型的基于光激励可动态调控的偏振依赖的电磁诱导透明超材料。这种超材料的单元结构包括两个开口谐振环和一个置于两个开口谐振环之间的方环。这三个谐振环彼此之间通过硅岛连接。在水平和竖直偏振激发下，相邻的谐振环通过近场

6、耦合分别在不同频率处由电磁诱导透明效应产生透明窗口。通过改变硅的电导率，模拟光激励效应，实现了对偏振相关的电磁诱导透明窗口幅度的主动调控。这一工作为理解超材料中涉及的一些基本的耦合机制提供了一些实用的分析方法，为设计和开发主动式超材料提供新方法。关键词：太赫兹，超材料，功能器件，电磁诱导透明，时域光谱学系统IABSTRACTMetamaterialsrefertoanewclassofengineeredmaterialsthataregenerallycomposedofalotofsubwavelength‘artificialat

7、oms’,whichhavedrawnsignificantattentionovertheyearsduetotheirexoticpropertiesthatnaturematerialscannotpossess.However,itisdifficulttochangetheelectromagneticresponseofthemetamaterialsthathavebeenfabricated.Importantly,multipleelectromagneticresponsesandfunctionalitycanbe

8、realizedinpolarization-dependentmetamaterialsunderdifferentpolarizationincidence,whichplaysanimportantr