發(fā)布時間：2018-07-21 21:13

【摘要】：近年來,太赫茲電磁波研究受到了國內(nèi)外學術研究機構的高度重視,針對太赫茲波的產(chǎn)生和探測技術已取得突破性進展,與此同時,太赫茲材料檢測技術也得到了廣泛研究。相比太赫茲波產(chǎn)生和應用技術研究,其在大氣通信方面的研究較少,因此太赫茲波選頻研究能提高太赫茲波在通信工程領域的應用。本文在分析太赫茲波濾波研究的基礎上,擬結(jié)合第一性原理方法,以利用超聲波在GaP晶體內(nèi)產(chǎn)生的體相位光柵進行太赫茲波反射選頻理論研究。本文主要研究工作如下:(1)本文選用閃鋅礦結(jié)構GaP晶體作為聲光晶體進行0-7.5THz波段選頻研究。利用第一性原理方法計算了 GaP晶體的光學參數(shù)、聲學參數(shù)及晶格動力學參數(shù);利用THz-TDS探測系統(tǒng)、聲光效應測試系統(tǒng)和拉曼散射實驗分別對GaP晶體(10mm×10mm×0.5mm)的太赫茲性質(zhì)、聲光效應和聲子共振關系進行驗證;給出了入射太赫茲波與超聲波共線傳輸?shù)母倪M型布拉格條件;分析了 GaP晶體耦合場量子色散方程,并計算出耦合場量子色散曲線。(2)根據(jù)超聲波頻率為常數(shù)時體相位光柵可視為超晶格結(jié)構,提出應用Kronig-panny模型分析體相位光柵的層狀結(jié)構,得到了一維體相位光柵中含有帶隙的電磁波傳播的色散關系;結(jié)合TO聲子耦合場量子色散關系、布拉格條件和聲光耦合性質(zhì),研究了光學帶隙頻率和寬度隨超聲波頻率和強度的變化關系。(3)根據(jù)體相位光柵的布拉格條件和聲光耦合性質(zhì),依托TO聲子耦合場量子色散方程和一維體相位光柵中電磁波傳播的色散關系,首次提出了雙原子立方晶體的改性TO聲子耦合場量子色散方程;基于第一性原理計算結(jié)果計算了超聲波頻率在0-250MHz范圍內(nèi)改性耦合場量子色散曲線。(4)依據(jù)GaP晶體介電函數(shù)和改性耦合場量子色散方程,提出了改進型介電函數(shù);計算了無體相位光柵作用下GaP晶體的反射譜,得到了剩余能量帶及0-7.5THz頻段反射率;通過分析改性TO聲子耦合場量子色散關系及改進型介電函數(shù),給出了 0級、-1級和-2級布拉格反射率方程。(5)通過分析GaP晶體布拉格反射率方程,并結(jié)合第一性原理計算結(jié)果,計算了超聲波頻率在0-200MHz頻段內(nèi)0級、-1級和-2級布拉格反射譜,研究了 0級、-1級和-2級布拉格反射譜峰寬度和反射率分別與超聲波的頻率和強度的關系;針對-2級反射譜在第二帶隙位置出現(xiàn)的反射峰,本文給出了不含雙聲子反射的-2級反射率方程,并計算出反射譜。(6)得到了 THz波選頻信號為0-7.5THz頻段總布拉格反射譜。本文分別計算了超聲波頻率在0-200MHz和耦合強度在0.1-1meV范圍的總布拉格反射譜。根據(jù)聲光耦合強度和超聲波強度的關系,得出結(jié)論:選頻輸出的太赫茲波頻率和強度分別由超聲波的頻率和強度調(diào)制。
[Abstract]:In recent years, the research of terahertz electromagnetic wave has been attached great importance to by academic research institutions at home and abroad. The generation and detection technology of terahertz wave has made a breakthrough. At the same time, terahertz material detection technology has also been extensively studied. Compared with the research of terahertz wave generation and application technology, the study of terahertz wave frequency selection can improve the application of terahertz wave in the field of communication engineering. Based on the analysis of terahertz wave filtering and the first-principle method, the theoretical study of terahertz wave reflection frequency selection by using volume phase grating produced by ultrasonic wave in gap crystal is studied in this paper. The main work of this paper is as follows: (1) in this paper, the sphalerite structure gap crystal is used as acousto-optic crystal to study the frequency selection of 0-7.5 THz band. The optical parameters, acoustic parameters and lattice dynamics parameters of gap crystal were calculated by first-principle method, and the terahertz properties of gap crystal (10mm 脳 10mm 脳 0.5mm) were investigated by THz-TDS detection system, acousto-optic effect test system and Raman scattering experiment, respectively. The acousto-optic effect and phonon resonance are verified, the improved Bragg condition for collinear propagation of incident terahertz wave and ultrasonic wave is given, and the quantum dispersion equation of gap crystal coupling field is analyzed. The quantum dispersion curve of coupled field is calculated. (2) based on the fact that the volume phase grating can be regarded as a superlattice structure when the ultrasonic frequency is constant, a Kronig-panny model is proposed to analyze the layered structure of the volume phase grating. The dispersion relation of electromagnetic wave propagation with band gap in one-dimensional bulk phase grating is obtained, and the Bragg condition and acousto-optic coupling property are combined with the quantum dispersion relation of to phonon coupling field. The relationship between the frequency and width of the optical band gap and the ultrasonic frequency and intensity is studied. (3) according to the Bragg condition of the volume phase grating and the acousto-optic coupling property, Based on the quantum dispersion equation of to phonon coupling field and the dispersion relation of electromagnetic wave propagation in one-dimensional bulk phase grating, the modified to phonon coupling field quantum dispersion equation of diatomic cubic crystal is proposed for the first time. The quantum dispersion curve of the modified coupling field in the range of 0-250 MHz is calculated based on the results of first-principle calculation. (4) based on the dielectric function of gap crystal and the quantum dispersion equation of the modified coupling field, the modified dielectric function is proposed. The reflection spectrum of gap crystal under the action of bulk phase grating is calculated, and the residual energy band and reflectivity of 0-7.5 THz band are obtained, and the quantum dispersion relation of the modified to phonon coupling field and the improved dielectric function are analyzed. The Bragg reflectance equations of order 0 ~ (-1) and order 2 are given. (5) by analyzing the Bragg reflectance equation of gap crystal and combining with the results of first-principle calculation, the Bragg reflectance spectra of order 0 ~ (-1) and order 2 in the frequency range of 0-200 MHz are calculated. The relationship between the frequency and intensity of ultrasonic wave and the width and reflectivity of Bragg reflectance spectrum of order 0 and order 2 are studied respectively, and the reflection peaks of the second band gap of the reflection spectrum of order 2 are studied. In this paper, the reflectivity equation of order 2 without double phonon reflection is given, and the reflection spectrum is calculated. (6) the total Bragg reflectance spectrum of the selected frequency signal of THz wave is obtained in the frequency range of 0-7.5 THz. In this paper, the total Bragg reflectance spectra with ultrasonic frequency of 0-200MHz and coupling intensity of 0.1-1meV are calculated respectively. According to the relationship between the acousto-optic coupling intensity and the ultrasonic intensity, it is concluded that the frequency and intensity of the terahertz wave output from the selected frequency are modulated by the frequency and intensity of the ultrasonic wave respectively.
【學位授予單位】：西安理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O441.4

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本文編號：2136874