基于石墨烯的太赫兹动态调制器以及吸收器的设计

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太赫兹波是一种处于电磁频谱中特殊部位的电磁波,由于太赫兹波具有奇异的性能而被研究人员关注,也在通信、国防、成像等不同领域被人们寄予厚望。石墨烯是一种形如蜂窝的单层材料,其厚度可以忽略不计,并且具备多种优点于,如轻薄、动态可调等特性。基于这些特性,石墨烯经常被用作各种太赫兹器件的调制材料,实现其动态可调的功能。各种各样的基于石墨烯动态可调器件已被报道,包括吸收器、滤波器和调制器等。在本文中,我们将石墨烯材料应用于太赫兹超材料中,设计了两个太赫兹调制器和一个太赫兹吸收器,具体如下:1、提出了一种基于等离子体诱导透明(Plasmon-Induced Transparency,PIT)效应的调制器,超材料通过金属“十”字形结构和开口环结构之间的强近场耦合引起电磁诱导透明效应。该超材料可以通过改变上面的偏置电压,实现对入射太赫兹波幅度调控的功能。优势在于不用改变结构和尺寸,只要改变石墨烯的偏置电压,就可以更加方便有效的实现有源调控的功能,同时调制深度可以达到85%。由于上面的调制器只能在一种电场极化方式下使用,随后又提出了一种利用纯石墨烯作为结构的PIT效应调制器,可以在x、y两种电场极化方式下分别实现两种不同模式的PIT效应。通过理论分析,明模式和暗模式相互耦合的PIT效应可以在x方向极化的THz波下实现;在y方向极化的THz波下实现了明模式和明模式相互耦合。通过改变不同的环境折射率,可以计算出x、y极化方式下的灵敏度分别为819.77 GHz/RIU和538.37 GHz/RIU。另外,调节石墨烯费米能级(0.5-0.8 eV)可以实现PIT超材料透射谱和慢光效应的调制,而且两种极化方式的群延迟可以分别达到0.948 ps和0.78 ps。因此,本文提出的PIT超材料可以促进生物传感和慢光器件的发展。2、利用纯石墨烯结构设计出了一种三频完美吸收器,该结构可以实现动态可调特性,该吸收器的结构由四个条形石墨烯和石墨烯交叉条组成。通过仿真的结果可以看出,该吸收器分别在0.93 THz、1.54 THz和2.4 THz存在三个完美的吸收带,吸收效率分别为99%,98%和99%。通过电场分析发现,这三个完美吸收带应该源自石墨烯交叉条和四个条形石墨烯的共振。通过改变石墨烯的化学势,可以主动调节所有这三个频带的频率和吸收效率。此外,我们发现这些完美吸收带对入射角和入射偏振角不敏感,从而使所提出的吸收器在实际应用中具有吸引力。我们希望这项工作将促进多频带太赫兹完美吸收体的工程设计,并将促进其在检测器和传感器中的应用。
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