太赫兹(Terahertz，1 THz=1012 Hz)波通常指频率在0.1 THz～10 THz(波长为3mm～30μm)范围内的电磁辐射。它在长波段与毫米波（亚毫米波）相毗邻，而在短波段，与红外线相毗邻。太赫兹波在电磁波频谱中占有很特殊的位置，因而具有极重要的学术价值和独特优越的特性，国际上公认它在电子、通信、生命、国防、航天和医疗等方面具有非常重要的应用。研制固态太赫兹器件是太赫兹科学与技术的重要领域之一。　　半导体异质结中二维电子气(2DEG)的浓度在1011～1013cm-2范围内可以通过场效应连续调节，其等离激元的振荡频率处在太赫兹频段。但是，等离子体波太赫兹器件的应用受到等离激元激发的低效率和等离激元高损耗的限制。针对该问题，我们提出了构筑太赫兹波与等离激元的强耦合系统，即等离极化激元(Plasmon-polariton)，提高了等离激元与太赫兹波之间的能量转换效率。实验上，我们将大面积光栅栅极的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)结构集成在太赫兹谐振腔里来探索二维等离子体波与太赫兹波的相互作用机制。目标是研究实现二维等离子体波与太赫兹谐振腔腔模的强耦合条件和方法。具体研究的主要内容如下:　　1.阐述光栅作为太赫兹波电场调制和等离激元调控的关键手段　　光栅的非零级衍射波叠加形成的散射场与入射电场再叠加形成了光栅近场区的非均匀分布电场。时域有限差分仿真(FDTD)的结果显示离光栅越近、光栅的填充因子越大则近场电场增强越大。这种高度集中的电场及能量正是太赫兹波与处在光栅近场区的二维电子气耦合的媒介。其次，光栅的周期或栅长决定了等离激元的波矢，且通过场效应(HEMT结构)光栅栅极能调控栅下的2DEG浓度从而可以很容易的改变等离激元的共振频率，则光栅栅极可以在二维电子沟道形成等离激元的可调谐振腔。　　2.探索太赫兹谐振腔结构　　在光和物质的相互作用中，谐振腔的高品质因子和小的有效模式体积是实现强耦合的关键参数。制作并仿真了几种Fabry-Pérot谐振腔结构。探索性的进行了金薄膜反射镜和氮化铌超导反射镜Fabry-Pérot皆振腔的透射实验，结果显示仍难获得高品质因子的太赫兹谐振腔。将光栅集成在谐振腔里，由于谐振腔模式在光栅处为波腹，光栅对谐振腔模式电场的增强减小了谐振腔的有效模式体积。　　3.太赫兹谐振腔模式与二维等离子体波模式的强耦合形成等离极化激元的研究　　3.a太赫兹等离极化激元共振激发实验　　将光栅耦合的二维电子气集成在一个太赫兹Fabry-Pérot谐振腔里，通过低温太赫兹时域光谱来测其透射谱。谐振腔将束缚一些光子模式，当二维电子气处在光子模式的波腹且栅控等离激元的频率等于该腔模频率，则会出现等离激元和光子模式的强耦合并产生等离极化激元。极化激元是耦合体系的本征态，其特征是等离激元模式和谐振腔模式共振时会出现反交叉(Anticrossing)特征，这将在透射谱中观察到。实验上制作了两种谐振腔结构，一种是Sapphire/GaN/AlGaN-Vacuum-SiFabry-Pérot谐振腔，另一种是Sapphire/GaN/AlGaN基片Fabry-Pérot谐振腔。等离极化激元可以用半经典的耦合谐振子模型来解释，等离激元与太赫兹谐振腔光子以拉比频率(Rabi frequency)交换能量。两者的耦合速率必须满足一定的条件才能实现强耦合，而这些都是通过光栅的近场电场实现的，理论和模拟结果能很好的与实验吻合。　　3.b等离极化激元的太赫兹波发射实验　　对于极化激元存在的证明除了透射实验外还有极化激元的太赫兹发射实验。二维电子体系在外界运动电荷或电流扰动时产生等离子体波并与谐振腔模式强耦合产生等离极化激元。对于该强耦合体系，谐振腔对于等离激元的激发起了一个正反馈增强的作用，削弱了等离激元损耗的影响。实验上通过光栅栅极向二维电子气注入的隧穿电流激发等离子体波，经过光栅不断辐射太赫兹波，通过傅里叶光谱仪测试发射光谱，在等离激元与谐振腔模式的强耦合区观察到了太赫兹波发射。　　本论文的主要创新点在于利用光栅实现了谐振腔光子模式与等离激元的强耦合，并用透射和发射光谱证明了等离极化激元的存在。为实现等离子体波的太赫兹器件提供了新的思路和方法。