金属亚波长狭缝阵列结构的太赫兹偏振透射特性研究

利用太赫兹时域光谱技术,研究了金属亚波长狭缝阵列结构的太赫兹透射特性。结果表明,太赫兹波会激发金属狭缝阵列结构的表面等离体波共振,表面等离子体共振产生太赫兹波段超强透射现象。由于表面等离子体共振效应,这种狭缝结构对于透射的太赫兹产生很高偏振度,这些实验结果为制作太赫兹波段偏振器件提供了有益的参考。     

动态可调的太赫兹超构表面

近年来,采用人工设计金属阵列的超构表面以实现对太赫兹波的调制受到越来越广泛的关注。设计了2种互补的亚波长金结构阵列超构表面,正、反结构2个超构表面对太赫兹波均有共振响应。利用光泵浦太赫兹时域透射光谱系统,通过控制泵浦光实现对太赫兹波的谱调制。仅需28 mW的外加泵浦光,反结构超构表面在0.91 THz处的振幅调制深度可达到95%。利用该反结构超构表面对太赫兹波的开关作用,进一步设计了太赫兹振幅全息图,希望利用该结构实现太赫兹波前的动态调控。初步的理论模拟验证了这一方法的可行性,可较好地实现对太赫兹波的动态调控。     

亚波长金属光栅的凹槽深度对太赫兹伪表面等离子体影响

从理论上详细研究了一维亚波长金属光栅的凹槽深度对太赫兹伪表面等离子的影响。分别对一维标准亚波长金属光栅和缺陷亚波长金属光栅进行了研究。电场分布情况采用了COMSOL软件进行模拟。得到的结论是:对于一维标准亚波长金属光栅,沿金属光栅传播的表面等离子体取决于槽深度,较深的槽具有更强的束缚能力;对于具有缺陷的光栅结构,电场强度的分布特点取决于缺陷槽的深度,这归功于缺陷槽对光的反射和散射。基于这一理论研究,这两种不同的亚波长金属光栅结构能为太赫兹器件如波导、衰减器及滤波器发展提供新的途征。     

内嵌凹槽的金属亚波长狭缝共振透射特性分析

在亚波长金属狭缝内嵌入凹槽后,狭缝的透射峰发生红移、蓝移,也可能不变。本文利用有限时域差分法,详细讨论了内嵌凹槽深度对狭缝透射光谱的影响。通过与腔共振模式理论对比,我们发现内嵌凹槽的亚波长金属狭缝透射峰变化一方面来自于共振腔长度的增长,另一方面来自于透射峰所对应的共振模式数的增加。透射峰蓝移等变化均为共振模式数改变和共振腔长度增长共同作用的结果。     

太赫兹光电导天线发射装置的优化设计

为了研究金属纳米狭缝对太赫兹光电导天线辐射功率的影响,基于时域有限差分法对太赫兹波通过金属狭缝时的增强特性进行了分析计算,研究了太赫兹波通过金属纳米狭缝电场的增强幅度与狭缝宽度和太赫兹波频率之间的规律。结果表明,在太赫兹光电导天线发射装置上增加一个纳米狭缝能够增强太赫兹波的发射功率,频率为0.1THz的太赫兹波通过70nm宽度金属狭缝时,辐射功率最大可以增强800倍。该研究结果对太赫兹光电导天线结构的改进有一定的借鉴意义。     

双层金属环形阵列的太赫兹表面等离子体研究

研究了太赫兹波垂直通过具有周期性亚波长环形空气槽阵列的金属-介质-金属三层结构的透射谱特性,以及与表面等离子体谐振的关系。共振模式电场分布与色散曲线分别表明:表面等离子体具有束缚性,表面电磁波的传输机制与能量流动过程,透射谱的两个共振峰与传播性的表面等离子体模式、局域化的表面等离子体模式及其耦合有关。改变结构的几何参数,其共振峰变化趋势进一步印证了以上观点,并且空气环中激发的准波导效应也影响了太赫兹波的传输。     

基于渐变折射率的太赫兹人工表面等离激元片上透镜特性

借助于结构化的金属/介质界面所形成的人工表面等离激元，能够将太赫兹场束缚在亚波长量级，同时利用单元结构对几何参数的色散特性，可以在二维尺度上操纵太赫兹波，为集成化、小型化片上太赫兹功能器件的发展提供了解决途径。利用立体金属柱子结构的色散特性构建二维渐变折射率透镜，在此基础之上设计平面望远镜、波导耦合器、双功能透镜等二维太赫兹人工表面等离激元传输调控器件，并通过电磁仿真分析每种功能器件的工作性能。本工作不仅丰富了太赫兹表面波调控器件家族，并有望进一步发展表面等离激元链路的太赫兹片上系统。     

基于亚波长金属孔阵列的光控太赫兹强度调制器

太赫兹波强度调制器对太赫兹技术的发展至关重要。亚波长金属孔阵列可以激发表面等离子激元,增加入射电磁波的透射效率,极大地提高调制器的调制深度。提出了一种基于表面等离子激元的光控太赫兹波强度调制器。首先给出了器件所依赖的基本原理;其次利用传统的微纳加工技术在半绝缘砷化镓衬底上制作出二维亚波长金属孔阵列;最后搭建了太赫兹时域光谱系统,测试了器件样品对太赫兹波的透过率。结果表明:亚波长金属孔阵列可以引起透射率的异常增强,且透射率随着泵浦光强的增大而减小,在特定频率点实现了较高的调制深度。此研究为实现高调制深度的太赫兹波强度调制器提供了参考。     

亚波长金属周期结构中表面等离子体相关机理和应用

研究了一种新型的有表面凹槽的亚波长金属光栅结构,通过改变表面凹槽填充物的折射率,可调控该结构的远场透射效率,在光学探测、生物传感等方面具有应用前景;结合金属波导理论,提出一种基于亚波长金属光栅波导结构的新型超分辨光刻方案,入射光波长为436 nm时,最高刻写分辨率可达34 nm.     

基于金属狭缝-凹槽结构单向激发表面等离子体

单向激发表面等离子体,在光通信、集成光学、光刻等方面有着广泛的应用。从理论上提出了一种亚波长金属狭缝-凹槽结构,利用背照射的激发方式,在金属膜表面实现了单向激发表面等离子体。设计过程中采用时域有限差分法进行数值模拟。首先改变凹槽的深度和宽度使得通过凹槽传播的表面等离子体的电场强度达到最低,并利用散射矩阵理论解释了其物理机制。然后基于表面等离子体干涉原理,改变狭缝与凹槽之间的距离使向背离凹槽一边传播的表面等离子体干涉加强,从而使金属狭缝-凹槽结构实现单向激发表面等离子体,最大分束比可以达到8。     

太赫兹波段一维金属线栅的偏振特性研究

基于时域有限差分法(FDTD)对一维金属线栅结构在0.2～2.6THz波段的偏振特性进行了数值分析,研究了其结构参数如金属占空比、狭缝宽度以及线栅周期对相互垂直的两种偏振模式太赫兹波透射系数的影响。利用光刻和金属膜制备工艺,在1mm厚的高阻硅衬底上淀积了200nm厚的金膜,制成了一系列一维金属线栅结构。利用太赫兹时域光谱系统,实验测量了这些线栅结构的太赫兹透射特性,实验结果与模拟结果规律一致。结果表明:适当设计金属线栅周期,同时满足一定的金属占空比要求,其整体偏振和透射性能能够得到优化。金属线栅结构参数与其太赫兹偏振性能之间的关系为制造太赫兹偏振器提供了参考。     

金属开口谐振环结构的太赫兹波吸收特性

太赫兹调制器、滤波器、吸收器是太赫兹波应用领域的关键器件,而金属开口谐振环是这些器件的常用结构。通过仿真及实验的手段,系统地比较了不同亚波长金属开口谐振环结构的太赫兹波吸收特性。设计并制备两种不同形式的亚波长金属谐振环,利用时域有限差分（FDTD）的模拟方法与光泵浦太赫兹探测（OPTP）的实验方法,分析了电磁波入射谐振环时,TM与TE模式下的太赫兹透射特性。发现在TM模式下,吸收峰峰值均反比于谐振环的等效电容值与等效电感值。而在TE模式下,由于偶极子振荡长度相同导致了两种谐振环吸收峰峰值相近。此外,改变外部光激励条件时实验结果表明TM模式下,单开口环比双开口环对光激励更敏感:泵浦光功率为5 mW相比无泵浦光时,单开口环透射率增加了80%,而双开口环透射率仅增加了43%。     

基于半导体等离子体频率光学调控的太赫兹波调制系统

介绍了一种太赫兹波光学调制系统,该系统首先通过刀片与半导体之间的狭缝实现太赫兹波和太赫兹表面等离子体波之间的耦合,然后通过改变照射到本征半导体表面的光强用以调控半导体表面的等离子体频率,使得半导体表面的等离子体频率在有光照和无光照条件下分别大于和小于其上传输的太赫兹表面等离子体波的频率,从而实现对在半导体表面传输的太赫兹表面等离子体波以及由其耦合出的太赫兹波的强度调控。该调制方法与传统方法相比具有调控频带宽、速度快、成本低、常温工作等优点,可用于太赫兹波通讯。仿真和实验结果进一步验证了该调制系统应用的可行性。     

铌酸锂芯片上的太赫兹集成和时空超分辨成像

飞秒激光与铁电晶体铌酸锂作用可以激发出太赫兹波段的声子极化激元。当铌酸锂的厚度减小至亚波长量级时,晶片就成为一个将太赫兹波产生、传输、调控、探测、与物质或微结构相互作用等过程集于一体的集成化芯片,为太赫兹波的研究和应用提供了平台。同时,利用时空超分辨成像技术可以对芯片中太赫兹波的传输以及与微结构作用过程进行可视化和定量分析。回顾了一些基于铌酸锂芯片的工作,比如太赫兹波传输特性的研究、频率可调谐太赫兹波源的产生、微结构对太赫兹波的调控等,这些工作说明亚波长铌酸锂芯片是一个很有前途的太赫兹集成器件。     

金属狭缝阵列在电介质覆层下的TE波异常透射性

亚波长周期性结构具有不同于传统微结构的许多特异性质,利用这些性质可以设计新型纳米光子学器件。应用时域有限差分(FDTD)数值模拟方法,通过在亚波长周期性结构的金属上添加电介质覆层,发现了横电波(TE)偏振光激励下周期性调制金属狭缝的异常透射现象,并对金属薄膜左右表面和狭缝内添加电介质覆层对异常透射的作用和影响进行了分析讨论,得到金属的左右表面能激发一表面波,通过狭缝内的电介质波导的传输,产生异常透射增大的现象。     

硅表面太赫兹抗反射亚波长结构设计

亚波长结构是特征尺寸小于工作波长的连续阵列浮雕结构,可看成是一层折射率均匀的介质层,仅存在零级的透射和反射衍射。基于等效介质理论和严格耦合波理论介绍了亚波长抗反射结构。为提高111μm波长太赫兹辐射(2.7THz)的透过率,在硅表面设计了亚波长抗反射结构。该结构的透射率和反射率由其浮雕结构的周期、高度和占空比确定。利用等效介质理论和严格耦合波理论对其结构参数进行了优化设计。当周期为27μm、高度为13μm、占空比为0.75时,得到了99.05%的太赫兹辐射透过率。     

太赫兹缝隙衍射的严格求解方法

基于严格电磁场理论和结构拓展思想,提出了太赫兹缝隙结构衍射的严格物理模型,得到了太赫兹缝隙衍射情形下入射、衍射和透射区域内电磁场基本模式的严格表达。数值计算表明太赫兹波在晶体(砷化镓)、非金属(FR-4)等材料缝隙的透射系数与太赫兹波频率的变化趋势大体相似,得出缝隙材料对太赫兹波的透射系数影响不明显;但是,缝隙的个数、材料的种类以及基底材料的厚度对太赫兹缝隙衍射最大透射系数的影响明显。本文方法也可用于研究太赫兹波亚波长区域内、微纳光学元件体内衍射传输等问题。     

石墨烯动态调控太赫兹表面等离激元

太赫兹表面等离激元(SPPs)是利用亚波长周期性结构在太赫兹频段模拟的具有与可见光频段表面等离激元相似的光学特性的电磁波,分为传输型和局域型2种。本文将石墨烯引入太赫兹表面等离激元结构作为动态激励源,通过外加偏压改变石墨烯的电导率,分别实现了对传输型表面等离激元的幅度、频率、相位和对局域表面等离激元共振强度的动态调控。本文方法为表面等离激元的动态调控提供了新的思路,拓宽了表面等离激元在太赫兹频段的应用。     

二氧化钒复合薄膜太赫兹透射率模拟

二氧化钒(VO2)是一种具有可逆热致相变性质的材料,在太赫兹调制领域具有应用潜力。为了确认VO2复合薄膜对太赫兹调控的可行性,在进行相关实验之前,首先运用CST Studio Suite电磁仿真软件进行模拟研究,主要探究了VO2及其与金属光栅结合的复合薄膜的相关参数对太赫兹透射及调控的影响。仿真结果表明,VO2能很好地调控太赫兹的透射幅度,调控深度可由相变幅度控制。另外仿真发现,对VO2复合薄膜而言,通过控制光栅的参数变化可以改变太赫兹透射幅度,并且可以通过调控光栅周期实现对太赫兹调制深度控制。     

基于几何相位的高透射型太赫兹超表面设计

文中提出一种基于几何相位的透射型超表面,通过对超表面单元结构的设计和排布实现了对入射圆极化波的波前任意操控和太赫兹涡旋波的产生。该超表面单元由典型的“三明治”型结构,即金属-介质-金属结构组成,顶层和底层金属图案均是由“C”型和矩形组成。利用几何相位原理,在工作频点下通过旋转金属结构对其相位进行调控,同时交叉极化透射幅度较高（>0.9）。通过对单元结构进行旋转编码,可以形成用于产生异常偏折现象、不同拓扑荷数涡旋光束的编码超表面。仿真结果表明,在0.63 THz处,设计的编码超表面能够对电磁波进行良好的调控,产生折射角为±50.1°和30°的异常折射现象,拓扑荷数l=±1两种模态的涡旋波束,在激光雷达和太赫兹大容量通信等领域具有潜在的应用价值。