基于金属表面等离子体激元及光子晶体的太赫兹波段功能器件研究

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相对于太赫兹波发射源及探测器的快速发展,太赫兹波段功能器件的发展比较缓慢。很多器件的研究仅停留在设计阶段,而少数加工出来的样品,其测量得到的特性不够理想,或者是加工工艺较复杂、不易于推广。现阶段迫切需要深入研究开发太赫兹波段的各种功能器件,促进太赫兹科学技术的研究与应用。金属表面等离子体激元具有增强透射效应,通过设计金属亚波长阵列的结构参数,可以实现对特定频率点放大、对其它频率段滤波。此外,它可以突破衍射极限,将电磁波约束在亚波长尺寸范围内传输。它在亚波长光学、纳米技术和新型光源等领域均有重要的应用。光子晶体可以实现对电磁波的有效操控,结构尺寸与工作波长大小相当。将光子晶体研究拓展到太赫兹波段,可以极大地促进太赫兹波段功能器件的研究与发展。因此,本文基于金属表面等离子体激元和光子晶体,研究了太赫兹波段常用的若干功能器件。本文的创新点主要有:(1)理论分析了具有周期性空气孔亚波长阵列的“金属—介质—金属”结构,建立了经过实验验证的仿真设计方法,从理论分析、仿真设计、初步实验等方面证明了该结构可以实现对太赫兹波的宽带滤波作用。(2)优化设计并且制作了正方形晶格空气圆孔亚波长阵列的“金属—空气—金属”结构实验室样品,该实验测试得到太赫兹波段带通滤波器样品的中心频率和带宽的测试结果分别为0.8THz和400GHz,与理论分析及仿真结果一致。(3)优化设计并且制作了三角形晶格空气圆孔阵列结构的高阻硅光子晶体平板实验室样品,该太赫兹波段光子晶体平板波导样品的实验测试表明,在0.254 THz至0.33 THz的光子带隙中的0.260THz至0.268THz频段之间,有一个高透射率的波导模式,与理论分析及仿真结果一致。
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