用于太赫兹光电导天线的全介质超表面准直透镜

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1、用于太赫兹光电导天线的全介质超表面准直透镜All-DielectricMeta-lensDesignedforTerahertzPhotoconductiveAntennas学科专业：光学工程作者姓名：余晴指导教师：谷建强教授企业导师：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十二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已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得天津大+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

2、‘作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名:彳签字日:年月日R羽哪刃冂{冫7智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)学位作者签名:嘎沁呓刁丶雒字日期`文加刁年冫月7日签字日期孔//年z月/∫日摘要太赫兹光谱技术应用于研究和分析各种材料在太赫兹波段的特性，在材料科学和分析化学等领域有十分重要的应用。太赫兹时域光谱系

3、统(terahertztimedimainspectroscopy,THz-TDS)是太赫兹光谱技术的核心。人们期望用于检测物质的THz-TDS系统具有很高的信噪比、较宽的频谱范围和优良的稳定性。光电导天线(photoconductiveantenna)是系统中常用的发射源和探测器，其工作性能决定了THz-TDS系统的实际使用性能。光电导天线发射端需要准直器件将太赫兹波耦合到空间中并进行准直，探测端需要用会聚器件将空间太赫兹聚焦到天线结上被探测，硅透镜是常用的会聚准直器件，能够同时用于发射端和探测端，其具有色散小、吸收低和各向同性的优点，但硅透镜准直后的光斑形状不均匀、光束

4、发散角较大——约为30°(消球差硅透镜)且有球形像差(准直硅透镜)，后面还需要用多个抛物面镜或太赫兹透镜对太赫兹波进行再次会聚，不利于实现太赫兹系统的小型化和组装的简易化。全介质超表面(all-dielectricmetasurfaces)具有高透射率、各向同性和高自由度控制波阵面等良好性能，经过人为设计，可使其实现特定电磁功能，比如会聚透镜、吸收器、偏振控制器和磁镜等。本文提出了一种全介质超表面准直透镜(metasurfacelens,)，代替THz-TDS系统中的硅透镜，紧贴太赫兹平面光电导天线放置，用以实现对太赫兹波的直接准直功能，并兼具高透射的特点。研究中先运用了电

5、磁场模拟软件CST去进行meta-lens的设计和数值研究，以实现将天线发出的高度发散的太赫兹波准直成近平面波的功能，并讨论了其用于光电导天线探测端的可行性、位置偏移对出射波束的影响以及对不同频率的电磁响应。之后利用深反应等离子体刻蚀技术(deepreactiveionetching，DRIE)加工了meta-lens样品，并设计搭建了扫描式THz-TDS系统进行实验研究。电场幅值分布表明所设计的meta-lens用于太赫兹光电导天线发射模块中具有优异的单频准直性能，与电磁模拟结果符合较好。在验证了meta-lens的准直能力后，利用准直后的平行光束检验了其用于探测端对电场

6、的聚焦功能，实验结果表明meta-lens使探测到的太赫兹场的幅值大幅增加，其聚焦性能得到验证。本文提出的meta-lens轻且薄，不仅实现了对太赫兹波的直接准直，而且在工作频率具有较高的透过率，大大减轻了系统的复杂度和繁琐度，有利于太赫兹光电导天线系统的集成。本文为提高太赫兹准直器件性能的研发提供了新思路，为太赫兹技术的推广和发展做了有益的探索。关键词：全介质超表面，光电导天线，太赫兹时域光谱系统，硅透镜ABSTRACTTerahertzspectroscopyisusedinstudyingandanalyzingthepropertiesofvariousmateri

7、alsintheterahertzband,whichhassignificantapplicationsinmaterialscience,analyticalchemistryandotherfields.Terahertztimedomainspectroscopy(THz-TDS)systemoccupiesthecorepositioninterahertzspectroscopytechnology.Whendetectingtheelectromagneticpropertiesofmaterials