太赫兹超材料完美吸收体的设计与数值模拟

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从20世纪20年代开始,科学家开始在太赫兹波段投入大量研究精力,经过多年的努力,太赫兹频段的大部分仍然无法被有效利用,太赫兹波因其所具备频率高、频带宽、发散角小、穿透性强等微波毫米波和红外波所不具有的特殊物理属性,能穿透许多不导电的物质,潜在应用广泛。超常材料(超材料)由于具备独特的电磁学特性,自20世纪末诞生以来也吸引了众多科学家对其进行了广泛而深入的研究。经过二十多年的研究,已经发展了诸多用于不同的功能的超材料结构类型,其中超材料完美吸收体就是其中一个重要应用方向。本文基于金属-介质-金属经典构型实现了一种宽频带太赫兹波段的完美吸收体。主要内容和成果如下:在第一章中,首先引入了超材料的概念,简要概述了超材料的研究历程,接着阐述了超材料的电磁响应特性。该章最后针对新的超材料方向综述了超材料领域的最新近况。在第二章中,详细介绍了超材料研究的几种理论。从最早的等效媒质理论,到等效电磁参数的S参数反演法,最后阐述了阻抗匹配理论及其更加精确的传输线等效电路模型。在第三章中,首先引入表面等离子激元的概念和性质,详细表述了表面等离子激元的传播模式,能量特征及穿透深度。其次介绍了等离子体的第二种激发方式——局域表面等离子激元模式,本章最后阐述局域表面等离子激元之间的耦合。在第四章中,提出一种在太赫兹频段的宽带超材料完美吸收体设计。另外还简要概述了有限时域差分算法的实现。采用有限时域差分法的模拟结果表明所提出的设计经过优化选择后的结构参数可以实现在1.25 THz~1.75 THz之间99%以上的完美吸收,其吸收率为90%以上的吸收带宽达1.12THz,并且具有偏振不相关,广角吸收的特性。通过模型几何参数和结构内部的电磁场分布分析,低电导率金属铬双环内外环的协同作用使得入射电磁能量主要通过欧姆损耗耗散在金属层。最后对全文做了总结和展望。
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