超材料太赫兹波折射率传感器设计

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1、超材料太赫兹波折射率传感器设计摘要：超材料是一种由亚波长的金属结构单元组成的人工电磁材料。相比自然材料，超材料最大的优势是可以通过调整器件结构实现预期的电磁特性。尤其是实现某些奇特的电磁现象，如超透棱镜、电磁隐身、负折射率等，因此引起了极大的关注。近年来，随着太赫兹（Terahertz，THz）辐射产生和探测技术的发展，THz技术取得了许多令人瞩目的成果。超材料作为功能器件被越来越多地应用于太赫兹领域，如吸波器、滤波器、调制器、传感器和偏振器。特别是THz超材料在非电离的生物化学传感应用方面有着很大潜力，不仅因

2、为许多物质在THz波段存在指纹谱。而且，相比常规的太赫兹时域光谱（THz-TDS）测量法，基于太赫兹超材料的传感测量法具有简便和灵敏度更高的优点。因此，基于超材料的太赫兹传感器研究成为了THz技术研究的热点。本文设计并制备了两种超材料太赫兹传感器和一种双层线栅偏振器，并利用三维全波仿真软件CSTMicrowavestudio和THz-TDS对超材料器件性能分别进行了数值模拟与实验测试，实验结果与仿真模拟基本一致。本文主要研究工作如下：(1)利用时域有限积分法对由闭合方环（SCL）和开口谐振环（SRR）组合构成的

3、平面太赫兹谐振器实现的类电磁诱导透明（EIT）效应及其折射率传感特性进行了仿真分析。结果表明，该类EIT谐振峰对周围环境介质折射率变化具有很高的灵敏度，且其FOM值(Figureofmerit)达到4.06，优于独立SCL或SRR结构传感器的0.09和2.48。利用激光诱导与化学镀铜技术在PI（聚酰亚胺）薄膜上加工了谐振器样品，并对其进行了透射性能测试，测试结果与仿真计算基本一致。(2)设计了一种由对称的U形开口谐振环和金属棒组合构成的平面太赫兹波Fano谐振器，利用CST软件对其由宽的明模式和窄的暗模式相互作

4、用产生Fano谐振的原理进行了分析。该高Q（Qualityfactor）的Fano谐振器内部聚集了高强度的电磁能量，使其可能用作高灵敏度传感器。仿真结果表明，该Fano谐振具有很高的折射率灵敏度和FOM值，可以作为折射率传感器应用于生物化学检测领域。(3)太赫兹偏振器作为调控太赫兹波偏振状态的准光学器件，在太赫兹光I万方数据谱、成像和传感系统中具有重要作用。我们利用简便的激光诱导与化学镀铜方法，在低损耗的PI基底两侧表面制备了太赫兹波段的双层线栅偏振器（bilayerwire-gridpolarizer,BWG

5、P），用太赫兹时域光谱系统对偏振器样品进行了测试。测试结果表明，在0.2~1.5THz范围内，BWGP的TM波透过率高于67%，消光比高于33dB，平均消光比达到41dB。消光比远高于传统的单层线栅太赫兹偏振器。关键词：太赫兹波；超材料；类EIT谐振器；Fano谐振器；折射率传感器；双层线栅偏振器；CST分类号：TN205；O433.1UDC621II万方数据DesignofTerahertzMetamaterialsforRefractive-Index-BasedSensorsAbstract：Metama

6、terialsisanewclassofartificiallyengineeredelectromagnetic(EM)materialsconstructedbythesub-wavelengthmetallicbuildingelements.AsignificantbreakthroughofmetamaterialsistoengineerthedesiredEMproperties,especiallysomeexoticEMphenomenathatcannotbeobtainedwithnatu

7、ralmaterials.Thisincludesextraordinarytransmission,invisiblecloaking,negativerefraction,etc.Asaresult,thisnewclassofmaterialshasattractedconsiderableinterest.Inrecentyears,withthedevelopmentoftheTHzgenerationanddetectiontechnologies,considerableprogresshasbe

8、enmadeinterahertztechnologies.Moreandmoremetamaterials,asfunctiondevices,hasbeenappliedinterahertzregion,suchasabsorbers,filters,modulators,sensorsandpolarizers.Especiallyterahertzmetamaterialsh