【摘 要】
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进入二十一世纪后,太赫兹波段研究被视为最具突破性和挑战性的新兴技术领域。相比于微波波段的电磁特性,太赫兹波频率更高,在相同空间中携带的能量更大,灵敏度更高,且相同精度要求下,太赫兹波段传感器在尺寸和集成化程度上也更具有优势。超表面被称为人工电磁材料,是由具有特殊电磁属性的人工原子按照一定的排列方式组成的二维平面结构,其通过将部分亚波长结构单元以周期或非周期的形式排列从而获得负折射率、负磁导率、反多
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进入二十一世纪后,太赫兹波段研究被视为最具突破性和挑战性的新兴技术领域。相比于微波波段的电磁特性,太赫兹波频率更高,在相同空间中携带的能量更大,灵敏度更高,且相同精度要求下,太赫兹波段传感器在尺寸和集成化程度上也更具有优势。超表面被称为人工电磁材料,是由具有特殊电磁属性的人工原子按照一定的排列方式组成的二维平面结构,其通过将部分亚波长结构单元以周期或非周期的形式排列从而获得负折射率、负磁导率、反多普勒效应、电磁诱导透明等常规材料不具备的电磁传播属性。太赫兹超表面器件因其电磁调控优势及对入射光振频、振幅、相位等参量的灵活调控能力,已受到研究者们的广泛关注并在偏振转换、全息成像、超薄透镜、光束偏转等方面具有广泛的应用前景。本文由推导实现超表面负折射率与负磁导率所需条件出发,通过等效谐振电路和二端口网络的方式计算超表面模型的等效电磁属性,进而推得超表面电磁传输特性与电磁波吸收条件。通过类比原子系统中电磁诱导透明效应与Fano共振的力学模型,分析电磁学中电磁诱导透明与Fano共振的产生机理,并应用于超表面结构设计中。基于太赫兹超表面结构的设计理论,通过分析环形谐振器的工作原理,在太赫兹波段设计一种可调控单通窄带滤波器,可实现1Thz附近频域的精准滤波并应用于背景折射率传感测量。在此基础上,通过分析本征材料类型、结构尺寸、多结构组合对超表面电磁传输特性的影响,结合Fano共振原理及耦合模理论,设计三种不同结构形式的超表面传感器件并对其性能进行比较分析,最终确定一种基于Fano共振的多模耦合超表面,该结构模型对空间背景折射率变化的灵敏度可达到39.1μm/RIU。由于结构模型对空间背景折射率改变有较强的灵敏度,因此可应用于多场景的传感检测,并在光学传感器、光通信领域有巨大的应用潜力。
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