多波段宽带太赫兹电磁诱导透明超材料特性分析

论文摘要

电磁诱导透明效应即谐振吸收频率相近的两束电磁波经相互耦合作用后,于该频率附近产生尖锐透射窗口的电磁现象,其伴随产生的慢光效应、高折射率灵敏度等特性使之具备良好的工程实用价值。但该效应的实现与应用,却时常受限于其超低温、强光泵浦等苛刻作业环境,而由人工复合成型的超材料阵列,为解决这一问题提供了新的途径。通过合理的单元结构设计及参数配置,人造超材料方能在常规实验条件下,于选定频率处实现包括该效应在内的多种特殊电磁现象;其使用便捷、灵活可调等特性使之于电磁诱导透明领域的应用设计已成为当下的研究热点之一。本文针对自然界材料难以直接响应的太赫兹波段,以目前学者研究相对较少的多波段、宽带、可调谐等特性为目标,进行了电磁诱导透明超材料的结构设计及应用分析,主要内容如下:1、设计了一种平面-立式相结合,能够通过三维耦合方式实现多波段宽带电磁诱导透明效应的超材料。通过三个立式开口环与平面闭合方环的相互耦合,实现了该超材料结构于0.68 THz与1.09 THz双波段的电磁诱导透明现象,带宽分别可达0.38 THz与0.74 THz。通过等效电路的拟化、表面金属结构的拆分对比,以及针对该结构边缘效应的讨论,分别研究了该超材料结构实现多波段与宽带电磁诱导透明效应的物理机理,同时分析了三个开口环的间距与臂长对电磁诱导透明强度与带宽的影响。2、设计了一种基于光敏半导体砷化镓的主动式电磁诱导透明超材料。砷化镓的光电特性,使该超材料结构中的外围圆环能够于各个光照条件下,响应不同频率的电磁波;其与中心开口环耦合,分别能够在1.47 THz与0.7 THz两个频点处产生强烈的电磁诱导透明效应。通过调节光照强度以改变砷化镓的电导率,拟化了所提结构于各条件下的等效电路模型。结合表面金属环的拆分比对,以及针对其边缘效应的讨论,分析了该超材料结构的光敏性能,与其实现多波段电磁诱导透明效应的物理机理;同时研究了砷化镓宽度、开口环开口大小与基底厚度对电磁诱导透明效应的影响。仿真分析表明,相较于传统的单频窄带结构,上述两种超材料均能够于太赫兹波段实现多频点高强度的慢光效应,其峰值群折射率分别可达211.6、184.7;同时,二者均具备多个较宽的折射率感应带,其峰值灵敏度分别可达0.51、0.46 THz/RIU。可见两种超材料结构于光缓存及折射率传感领域有一定的应用价值。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 1 引言
•   1.1 太赫兹波概述
•     1.1.1 太赫兹波的应用
•     1.1.2 太赫兹器件的发展
•   1.2 超材料概述
•     1.2.1 超材料的应用
•     1.2.2 超材料的发展
•   1.3 电磁诱导透明效应概述
•     1.3.1 电磁诱导透明效应的应用
•     1.3.2 电磁诱导透明效应的发展
•   1.4 论文主要工作
• 2 电磁诱导透明超材料基础理论分析
•   2.1 EIT效应的基本原理
•   2.2 EIT超材料结构等效电路模型分析
•     2.2.1 EIT明、暗模式结构单独作用下的等效电路
•     2.2.2 EIT明、暗模式结构共同耦合作用下的等效电路
•   2.3 超材料单元结构尺寸对响应波段的影响
•   2.4 本章小结
• 3 基于三维耦合的多波段宽带电磁诱导透明超材料设计
•   3.1 EIT超材料结构设计及等效电路拟化
•     3.1.1 超材料结构组成
•     3.1.2 超材料等效电路分析
•   3.2 仿真结果及分析
•     3.2.1 多波段EIT仿真分析
•     3.2.2 宽带EIT仿真分析
•     3.2.3 EIT超材料结构边缘效应分析
•     3.2.4 EIT超材料结构参数仿真分析
•   3.3 EIT超材料的应用分析
•     3.3.1 光缓存
•     3.3.2 折射率传感器
•   3.4 结构及性能对比
•   3.5 本章小结
• 4 光敏可调的多波段电磁诱导透明超材料设计
•   4.1 EIT超材料结构设计及等效电路拟化
•     4.1.1 超材料结构组成
•     4.1.2 超材料等效电路分析
•   4.2 仿真结果及分析
•     4.2.1 多波段EIT仿真分析
•     4.2.2 EIT形成原理分析
•     4.2.3 EIT超材料结构边缘效应分析
•     4.2.4 EIT超材料结构参数仿真分析
•   4.3 EIT超材料的应用分析
•     4.3.1 光缓存
•     4.3.2 折射率传感器
•   4.4 结构及性能对比
•   4.5 本章小结
• 5 总结与展望
•   5.1 论文工作总结
•   5.2 未来工作展望
• 参考文献
• 作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 学位论文数据集

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李广森

导师: 延凤平

关键词: 超材料,太赫兹,电磁诱导透明,多波段,宽带,可调谐,慢光效应,折射率传感

来源: 北京交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 物理学,材料科学

单位: 北京交通大学

基金: 国家自然科学基金

分类号: TB34;O441

DOI: 10.26944/d.cnki.gbfju.2019.001170

总页数: 65

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