太赫兹超材料中的模式耦合及其对传感特性的影响究

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1、分类号:O431.1学校代码：10697密级:公开学号：201520559太赫兹超材料中的模式耦合及其对传感特性的影响学科名称：光学作者：宇磊磊指导老师：徐新龙教授西北大学学位评定委员会二〇一八年六月ModeCouplingEffectsinTHzMetamaterialsandItsInfluencetotheSensingPropertyofMetamaterial-BasedSensorsAthesissubmittedtoNorthwestUniversityinpartialfulfillmentoftherequirem

2、entsforthedegreeofMasterinOpticsByLeileiYuSupervisor:XinlongXuProfessorJune2018摘要摘要超材料作为一种人工结构材料，由于具有共振模式可设计性、可调节性的特点，以及奇特的物理性质，例如负折射率、负光压等已成为目前光学研究的热点之一。太赫兹波段介于红外和微波波段，常规材料对于太赫兹的响应比较弱，而太赫兹超材料弥补了自然材料对太赫兹波响应弱的缺点。超材料中的等离子体共振模式与传统表面等离子体共振模式相类似，对于环境的介电性质等敏感，因而可以用作传感器的传感模式。

3、而超材料中的等离子体共振模式频率受到超材料结构、尺寸、周围环境以及构成材料的电磁属性等因素的影响，因此可以通过调节等离子体共振模式来改变和提高超材料性能。同时不同等离子体共振模式之间由于频率的靠近可能会存在耦合现象，模式耦合的研究对传感等应用也具有重要的理论指导价值，基于此，我们的研究工作主要集中于太赫兹超材料中因单元结构引起的等离子体模式与晶格衍射模式的耦合，以及等离子体模式与Lorentz声子模式的耦合，并且研究了这些模式耦合对于基于超材料的传感器的传感特性的影响，主要包括如下内容。第一章，首先介绍了超材料以及超材料在太赫兹波领

4、域应用，其次回顾了超材料等离子体模式的研究进展和应用，然后分析了几种常用的描述金属等离子体模式的色散模型并列出了其适用范围，最后概述了超材料中模式耦合现象的研究现状以及模式耦合在超材料吸收体、传感等方面的应用及影响。第二章，首先研究了太赫兹波段开口谐振环中等离子体模式（plasmonicmode）与晶格衍射模式之间的耦合，并分别在TM和TE波入射下观察到了强耦合的反交叉（anti-crossing）现象以及在弱耦合下的等离子体模式蓝移现象，分析了超材料等离子体模式与晶格衍射模式耦合的物理机制。同时我们进一步研究了超材料模式耦合对介电

5、材料传感灵敏度的影响，并充分利用超材料中的模式耦合现象来提高超材料对于外界介电材料的传感灵敏度。第三章，我们研究了超材料中的等离子体模式与Lorentz声子之间的耦合现象，这是由于许多自然材料在太赫兹波段的介电响应具有Lorentz声子振动的形式。等离子体模式在声子模式的作用下发生了模式分裂，我们提出相互作用哈密顿量解释了等离子体模式分裂的物理机制。与Stark效应类似，分裂模式的能级差随着Lorentz声子在零频处的介电常数的增加而增加，这项研究为利用经典系统研究量子现象提供了I西北大学硕士学位论文研究平台。同时，我们的结果同样适

6、用于乳糖、氨基酸等小介电常数介质与超材料的耦合系统，这项工作为生物传感中的共振传感提供了理论依据。第四章，总结了本论文的主要工作、创新点及研究意义，并对下一步的工作进行了展望。关键词：超材料，模式耦合，等离子体模式，晶格衍射，Lorentz声子IIABSTRACTABSTRACTMetamaterialasanartificialstructuralmaterialhasbecomeahottopicinopticresearchinrecentyearsduetothedesignableandadjustableresonant

7、modesaswellasitsfancyphysicalproperties,suchasnegativerefractiveindex,negativeopticalpressure.Terahertzwaveistheelectromagneticwavelocatedbetweentheinfraredregionandmicrowaveregion.Theresponseoftraditionalmaterialtoterahertzwaveisweak,whiletheterahertzmetamaterialcanen

8、hancetheterahertzresponseofnaturematerial.Plasmonicmodesinmetamaterialsareanalogytothesurfaceplasmonpolaritonsinconve