本文選題：太赫茲 + 主動調(diào)控�。� 參考：《中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：太赫茲波段處于低能量的電子學(xué)和高能量的光子學(xué)之間的過渡地帶,是最后一段被人類了解和認(rèn)識的電磁波波段,也是目前公認(rèn)的具備很多優(yōu)良特性的波段。太赫茲輻射的產(chǎn)生,傳輸,調(diào)控和探測構(gòu)成了太赫茲科學(xué)這門新型科學(xué)的關(guān)鍵技術(shù),在高速寬帶通信,國防安全,醫(yī)療診斷,材料研發(fā)等多個領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。然而,由于太赫茲光子的能量較低,很多物質(zhì)對于太赫茲光的響應(yīng)十分微弱,致使太赫茲功能器件的研究和發(fā)展仍然相對滯后,高效、主動的太赫茲器件仍然十分匱乏。同時(shí),太赫茲的產(chǎn)生-測量系統(tǒng),作為太赫茲應(yīng)用系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分,仍然有很多的不完善;在前沿研究領(lǐng)域,自行搭建高性能參數(shù)、可擴(kuò)展性強(qiáng)的太赫茲產(chǎn)生-測量系統(tǒng)是必要的選擇。本論文首先在太赫茲主動功能器件方面進(jìn)行了探索,提出了一種新穎的主動調(diào)控太赫茲波的方法,設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了應(yīng)用該方法調(diào)制太赫茲輻射的器件的性能;然后系統(tǒng)地開展了太赫茲產(chǎn)生-測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和搭建工作,并利用該系統(tǒng)針對一些氧化物功能材料開展了相關(guān)的研究。本論文的具體研究內(nèi)容如下:1.提出了一種基于石墨烯的利用外加磁場和柵極電場來主動調(diào)控太赫茲波的新穎方法。該方法從石墨烯在磁場下不均勻分布的郎道能級入手,通過柵極電場的方式調(diào)控朗道能級間的光學(xué)躍遷,進(jìn)而可以選擇性地吸收不同頻率的太赫茲光子。這樣,通過主動地選擇不同強(qiáng)度的磁場和柵極電場的組合,基于該方法的器件就可以靈活的針對不同頻率的太赫茲波進(jìn)行主動調(diào)制,在頻率選擇上擁有的自由度極高。2.在基于石墨烯的雙外場主動調(diào)控太赫茲方法的基礎(chǔ)上,提出了一種平板型太赫茲主動調(diào)控原型器件。數(shù)值仿真的結(jié)果顯示,該原型器件在雙外場下具有非常優(yōu)異的調(diào)制性能,可在四個獨(dú)立的頻率通道上主動調(diào)制太赫茲光的振幅,調(diào)制深度高達(dá)35dB。同時(shí),在不同的通道間切換所需的能量最低低至1OmeV,驗(yàn)證了我們提出的這種新穎的太赫茲波主動調(diào)制方法還具有非常高的調(diào)制效率的優(yōu)點(diǎn)。3.通過引入表面等離激元的近場增強(qiáng)效應(yīng),在基于石墨烯的透射式雙外場主動太赫茲調(diào)制器件中,顯著地增強(qiáng)了器件對于透射太赫茲輻射的調(diào)制效果。在該透射式主動太赫茲調(diào)制器中,通過將互補(bǔ)開口環(huán)陣列(CSRRs)嵌入到器件柵極電容層的下方,將入射太赫茲波的能量局域在石墨烯層和CSRRs層之間,極大的增強(qiáng)了石墨烯與太赫茲電磁場相互作用的強(qiáng)度,從而顯著地增強(qiáng)了器件的調(diào)制深度。數(shù)值仿真的結(jié)果顯示,該主動器件在雙外場的控制下對透射太赫茲波的振幅調(diào)制深度高達(dá)95.1%。進(jìn)一步的分析顯示,該方法也可以針對太赫茲光的偏振進(jìn)行主動調(diào)制,通過合適強(qiáng)度的磁場和柵極電場搭配,可以將入射的線偏振太赫茲光調(diào)制為圓偏振出射的太赫茲光。4.實(shí)驗(yàn)方面,搭建了兩套基于不同原理的太赫茲時(shí)域光譜測量系統(tǒng)。其中,基于光電導(dǎo)天線的太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)具有大帶寬、高信噪比、高穩(wěn)定性等特點(diǎn):整套系統(tǒng)工作在0.1到4.8THz波段、時(shí)域峰值與噪聲的比值高達(dá)30000:1、單次掃描的動態(tài)范圍達(dá)到90dB、頻域分辨率達(dá)到5GHz。與文獻(xiàn)中報(bào)導(dǎo)的各類TDS相比,該套系統(tǒng)均達(dá)到了先進(jìn)水平。另一套基于非線性效應(yīng)的太赫茲時(shí)域光譜測量系統(tǒng)則具有高可擴(kuò)展性、高太赫茲脈沖能量等特點(diǎn),能在下一步的研究中通過更換非線性晶體實(shí)現(xiàn)更寬的頻譜覆蓋,以及亞mJ級的太赫茲脈沖。此外,這兩套系統(tǒng)均通過協(xié)同控制步進(jìn)電機(jī)和鎖相放大器的內(nèi)部參數(shù),為不同的測量場合實(shí)現(xiàn)了不同的掃描方式:快速掃描可以在2s的時(shí)間內(nèi)迅速給出太赫茲時(shí)域光譜,而精細(xì)掃描則能最高以30000:1的信噪比和5GHz的頻譜分辨率給出精細(xì)的太赫茲時(shí)域光譜。5.利用太赫茲時(shí)域光譜測量系統(tǒng)對一些典型的鈣鈦礦和層狀鈣鈦礦氧化物進(jìn)行了太赫茲波段的光學(xué)表征,通過對這些材料的太赫茲波段介電特性的測量、分析、理解和積累,為以后更加深入的參量復(fù)合量子功能材料的研發(fā)、高通量近場物性表征等方向的研究打下了扎實(shí)的基礎(chǔ)。特別的,發(fā)現(xiàn)了 La0.7Sr0.3MnO3薄膜在太赫茲波段下所兼具的高透過率和高導(dǎo)電性的特點(diǎn),使其可以被應(yīng)用為太赫茲科學(xué)技術(shù)中一種新型的透明導(dǎo)電薄膜電極材料。6.應(yīng)用自主加工的溫控臺將太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)升級為原位變溫太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng),可精確控溫到0.2℃;并利用該系統(tǒng)測量了變溫條件下VO2/Al203外延薄膜的太赫茲時(shí)域光譜,對VO2的相變行為進(jìn)行了簡單的分析和討論;同時(shí),利用VO2的金屬-絕緣體相變特性,在溫度場的調(diào)控下,對太赫茲光進(jìn)行主動振幅調(diào)制,實(shí)現(xiàn)了高達(dá)84.6%的調(diào)制深度。7.應(yīng)用動態(tài)孔徑近場成像方法改建了太赫茲時(shí)域光譜測量系統(tǒng),使得我們的太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)獲得了超衍射極限的空間分辨成像能力;通過利用該系統(tǒng)表征光電導(dǎo)天線表面的天線結(jié)構(gòu),獲得了水平方向40微米,約為λ/8的近場掃描圖像,證實(shí)了這套系統(tǒng)在亞波長尺度上的成像能力。特別的,設(shè)計(jì)并加工了基于超薄銀膜的無泵浦吸收地可見光/太赫茲光雙色分束鏡,可以在反射可見光的同時(shí)無泵浦吸收的透過太赫茲光。該雙色分束鏡在動態(tài)孔徑太赫茲近場成像系統(tǒng)中扮演了關(guān)鍵的角色。
[Abstract]:In this paper , a novel method for actively controlling terahertz wave based on graphene is proposed , which is based on the field of high - speed broadband communication , national defense security , medical diagnosis and material development . A terahertz time - domain spectral measurement system based on different principles is presented in this paper . The terahertz time - domain spectroscopy system based on the nonlinear effect has the characteristics of large bandwidth , high signal - to - noise ratio , high stability and the like .
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：O441.4

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本文編號：2027451