基于新型人工电磁材料的太赫兹电磁诱导透明现象研究

来源 :北京邮电大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:yuan_kai
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超材料(metamaterials)具备大多数常规媒质所不具备的独特特性,并显现出许多新奇的物理现象,引起了众多领域科研工作者的关注。其中基于超材料的电磁诱导透明现象(electromagnetically-induced transparency,EIT)能改变色散性质和减慢光速,在慢光器件、非线形器件、滤波器、光存储和传感器等方面都有重要应用。利用超材料可以实现在太赫兹波段的电磁诱导透明,克服了量子系统内实现它存在的诸多难题和复杂的实验条件。本文主要对太赫兹波段超材料的电磁诱导透明现象进行了理论研究,设计了几种超材料电磁诱导透明结构,通过数值仿真软件CST进行模拟,并对部分结构进行了加工测试,模拟和测试结果基本一致。并进一步系统地研究这些结构的设计方法、电磁特性和耦合机理,对太赫兹频段电磁诱导透明结构的应用提供参考。主要工作如下:(1)基于明模-暗模机理的太赫兹电磁诱导透明结构的设计。基于明模暗模耦合机理设计了两种基于新型人工电磁材料的EIT结构,一种是极化敏感的对边开口结构,另一种是经过优化得到的极化不敏感邻边开口结构。通过CST仿真对两种结构在TM极化方向和TE极化方向的透射谱进行了分析,并从表面电流分布角度研究了两种结构产生EIT现象的物理机理,分析了TM和TE入射波的电磁响应特性。最后,研究了结构单元的几何参数变化对邻边开口方环结构的EIT现象的影响。(2)基于明模-明模机理的太赫兹电磁诱导透明结构的设计。基于明模明模耦合机理设计了三种EIT结构,其中单条单环结构是极化敏感的,十字环条结构与双环结构是极化不敏感的,两种结构都可以将EIT谐振峰透过率提高到90%以上。将结构拆分成两个独立的子结构,分别研究了两个子结构的透射谱,与原结构透射谱结合分析了这几种结构EIT现象产生的原因。此外,进一步分析了结构参数变化对EIT三个谐振点的谐振频率,线宽,以及谐振强度的影响。(3)基于石墨烯的可调太赫兹电磁诱导透明结构的设计。由于人工电磁材料EIT结构的透明窗都在固定频率,若调节透明窗的频率范围或幅度,通常需要改变结构的几何参数,而这对于加工好的结构是很难实现的。所以通过引入二维材料石墨烯,通过改变外加电压,来实现对EIT的动态可调。通过对对边开口结构以及邻边开口结构引入石墨烯材料,发现基于石墨烯的对边开口结构可以通过改变入射角度实现极化不敏感特性,而基于石墨烯的邻边开口结构可以在垂直角度实现极化不敏感。最后分析了两种结构的透射谱以及表面电流分布对EIT的产生原理进行了分析。研究了结构几何参数的变化,入射电磁波角度的变化对EIT的调谐,最后研究了通过改变基于石墨烯的邻边开口结构的外加电压来动态调节EIT的谐振峰的谐振频率以及谐振幅度等。(4)在以上理论分析和仿真模拟的基础上,对所设计的几种EIT结构进行了加工和测试,测试采用了太赫兹时域光谱THz-TDS系统。研究发现所设计的结构的测试结果与仿真结果基本吻合,从而为太赫兹频段极化不敏感电磁诱导透明结构的实现提供了技术支持。
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