基于单体、双体以及三体谐振器超材料在太赫兹波段的电磁响应研究

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1、摘要上海师范大学硕士学位论文摘要随着超材料研究在太赫兹领域中的不断深入，超材料结构在太赫兹应用技术中起着越来越关键的作用，因此拥有高灵敏、低损耗以及慢光等特性的超材料是太赫兹技术应用领域中的重点研究课题。本文基于此研究需要，我们研究了单体超材料、双体结构超材料以及三体谐振器超材料。采用理论与实验相结合，研究了超材料结构在太赫兹波段的电磁响应以及分析了其实现太赫兹调控的物理机制，探究从单体、双体超结构过渡到三体谐振器超材料实现电磁感应透明的可行性。本论文研究内容可主要分为下列三个部分：基于单体结构超材料电磁

2、响应，对比研究了基于矩形开口谐振环(RSRRs)设计的改变侧边结构的LV-SRRs以及旋转两臂的AT-SRRs中太赫兹共振模式中的低阶模式与高阶模式频移以及品质因子的变化。低阶模式发生红移且其品质因子随着RSRRs中侧边伸长而呈现单调递增，与之相反，高阶模式的品质因子随之单调递增。并且LV-SRRs中的品质因子变化远大于AT-SRRs。通过模拟两组RSRRs中的表面电流和电场能量的分布趋势，分析了此现象的发生机制。LC共振是引发低频共振模式的主要模式，而高频振荡主要起作用的是偶极子振荡模式。通过调节RSR

3、Rs的侧边尺寸和悬臂角度，同时在不改变开口大小和对边长度，我可以分析得出在单体超材料结构的太赫兹响应中，各单元结构演化中侧边的长度变化起着主要作用。并在此基础上，我们进一步的对RSRRs进行结构演化，设计出在不改变开口和悬臂的情况下对边缩小的一组顶角变化的SRR。随着对变得减小顶角随之增大，从锐角到直角再到钝角，低阶LC模式在发生蓝移和品质因子增加，而与之相反，高阶的偶极子模式吸收峰半深度骤降，半高宽展宽品质因子骤减，损耗剧增的同时峰位蓝牙，直至消失在了观察窗口中，实现了一种单通道太赫兹频谱，为实现单通道

4、高灵敏太赫兹滤波器的存在应用价值。基于双体结构超材料电磁响应，我们通过超分子(MM)间明暗谐振器的非对称耦合实现了宽带等离子体诱导透明现象（PIT）。每个超分子包含一个金属线谐振器（CWR）和一对相同的呈镜面对称排列的U型谐振器。随着处于中心位置的金属线上移时便引入了一个偏移量形成非对称结构。然后，由于暗谐振器的非对称耦合便产生了PIT效应。透明窗口宽度随着偏移量的增加而单调地展宽。在透明的窗口上出现了皮秒级的群延迟。同时表面电流和电场的分布显示由于结构的局部对称性破坏，CWR和U型谐振器之间的非对称耦合

5、导致了能量从表面等离子体(SP)振荡转移至LC振荡模式。在LC模式产生的同时形成的两个边模，对应的，一对相互抵消的SPs导致了透明窗口的出现。此外,在金属线和U形的I摘要上海师范大学硕士学位论文局部区域之间发生LC边模同时也产生磁偶极子动量。随着金属线位，超分子中的磁偶极动量也同时发生非对称分布，磁动量的非对称分布，也导致透明峰的宽度展宽，我们成功实现了一种新的基于双体超材料的宽带离子体诱导透明的构造方法，发展了宽带太赫兹慢光器件的研究。在暗模下，随着V型天线的偏移，单一谐振模式分裂成两个边模式，形成透明

6、窗口；当偏移量达到13μm时，慢光达到最大25.9ps。同时，同样基于双体超材料结构，结合我们之前所做的关于顶角变化SRR的研究工作，我们采用直角三角形SRR与金属线谐振器，通过非对称电导耦合的方式成功实现了全暗模状态的太赫兹慢光现象。当偏移超出13μm时,其中一个边摸由V型振荡转变为LC震荡模式，在高频边摸式中仍由V型振荡占主导地位。然后，PIT效应便转变类PIT效应，慢光现象消失。为太赫兹慢光的动态调制做出了研究。基于三体结构超材料的电磁响应，我们研究并实验验证了基于三体超材料系统的电磁感应透明现象。

7、该系统一对几何结构完全相同的SRRs垂直排列，并通过一个金属线谐振器电导连接。这样一个三体系统在不同的太赫兹偏振态下表现出两种频率响应。其一为暗明明模式，对应的偏振态为水平偏振；其二为明暗暗模式，对应的偏振态为竖直偏振，只在此状态下才能看到PIT效应发生。透明窗口可由金属线的位移来调谐，范围从0.71THz到0.74THz。最大群延迟透明窗口在0.74THz，达到7.5ps。当金属线移动到侧边中心位置时，类电磁感应透明现象消失，这形成了局部太赫兹慢光效应。表面电流和电场能量的分布显示在高频模式其主要作用的

8、是作为模的SRR中被激发的LC模，不受移动的金属线影响。而低频边模则由暗SRR中的LC振荡与金属线杂化成一个局域S形偶极子振荡模，可由金属线的位移调控。因此，我们可以看出群延迟和透明窗口一样可以通过调控边模来进行控制。实验结果显示可以通过电导耦合的三体系统中实现类似于EIT效应，可作为一种新的实现可调谐的THz慢光器件的方法。关键词：太赫兹超材料；矩形开口谐振环；品质因子；对称破缺；电导耦合；慢光；等离子体诱导透明IIAbst