本文選題：太赫茲 + 超表面��； 參考：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：太赫茲波在電磁波譜中位于紅外與微波之間,隨著太赫茲波的產(chǎn)生以及探測(cè)技術(shù)的發(fā)展,太赫茲技術(shù)受到了廣泛關(guān)注。由于太赫茲波具有單光子能量低、穿透性好、以及較高的譜分辨率等特征,太赫茲技術(shù)能夠被廣泛應(yīng)用于安全檢查、生物醫(yī)學(xué)以及通信等領(lǐng)域。一直以來(lái),絕大多數(shù)的研究者都致力于開(kāi)發(fā)高功率的太赫茲源,以及高靈敏度的太赫茲探測(cè)器,并取得了一定的研究進(jìn)展。為了滿(mǎn)足實(shí)際的應(yīng)用需求,研究人員正在努力發(fā)展小型化和集成化的太赫茲系統(tǒng)。然而,在太赫茲波段仍然缺乏各種功能調(diào)制器件�，F(xiàn)有的太赫茲波調(diào)制器效率低且體積龐大,如石英波片,聚乙烯透鏡等器件。這一現(xiàn)狀不僅影響太赫茲技術(shù)的發(fā)展,還會(huì)阻礙小型化太赫茲系統(tǒng)的研發(fā)進(jìn)程。因此,開(kāi)發(fā)體積小、質(zhì)量輕的太赫茲功能器件也是一項(xiàng)非常重要的研究工作。超表面是一種由亞波長(zhǎng)天線組成的人工結(jié)構(gòu),不僅可以有效減小傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)的尺寸,還可以通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)自然界中不存在的有效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率�；诰钟虮砻娴入x子體共振特性,超表面可以被用于調(diào)制電磁波的振幅和相位。超表面概念的提出為各種太赫茲調(diào)制器的設(shè)計(jì)提供了機(jī)遇。本論文提出了設(shè)計(jì)太赫茲光場(chǎng)調(diào)制超表面器件的普遍方法,并總結(jié)了組成超表面器件的C形金狹縫天線對(duì)散射波振幅和相位的調(diào)制規(guī)律�；谶@一設(shè)計(jì)原理,設(shè)計(jì)了三種太赫茲光場(chǎng)調(diào)制超表面器件和一種可調(diào)諧超表面器件。具體工作概括如下:基于超表面設(shè)計(jì)了太赫茲渦旋相位板,產(chǎn)生了拓?fù)鋽?shù)分別為1、2、3的太赫茲渦旋光場(chǎng)。在實(shí)驗(yàn)中,利用太赫茲全息成像系統(tǒng)探測(cè)了產(chǎn)生的渦旋光場(chǎng)初始平面上的振幅和相位分布。在光路中加入高阻硅透鏡將渦旋光束聚焦,通過(guò)Z掃描的方法研究了拓?fù)鋽?shù)為1的太赫茲渦旋光場(chǎng)的遠(yuǎn)場(chǎng)傳播特性,包括光強(qiáng)和相位的演化。基于楊顧(YG)相位恢復(fù)算法設(shè)計(jì)了工作頻率為0.8 THz的焦點(diǎn)間隔分別為2 mm和3 mm的四焦點(diǎn)、九焦點(diǎn)太赫茲超表面透鏡。這些多焦點(diǎn)透鏡的大小只有10×10 mm2,透鏡的尺寸不隨著焦點(diǎn)個(gè)數(shù)的增多而增大。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明,設(shè)計(jì)的多焦點(diǎn)超表面透鏡具有良好的聚焦與成像功能。對(duì)多焦點(diǎn)透鏡色散特性的研究表明,設(shè)計(jì)的太赫茲四焦點(diǎn)透鏡具有800 GHz的聚焦帶寬,在0.8THz頻率處可以達(dá)到33.92%的衍射效率。設(shè)計(jì)了三種不同參數(shù)的太赫茲自聚焦光束全息超表面。提出的全息超表面能夠同時(shí)記錄自聚焦光場(chǎng)初始平面上的振幅和相位分布。產(chǎn)生的環(huán)形艾里光場(chǎng)能夠在自由空間傳播的過(guò)程中突然聚焦,聚焦的位置與理論計(jì)算值相符。在太赫茲波段利用超表面產(chǎn)生自聚焦光束的方法還可以被擴(kuò)展到其他波段,尤其是可見(jiàn)光波段。用超表面來(lái)代替空間光調(diào)制器(Spatial light modulator,SLM)能夠大大減小系統(tǒng)的復(fù)雜性,并能有效地避免SLM引入的零級(jí)斑,提高能量利用率�；诙趸C(VO2)的絕緣-金屬相變特性,將太赫茲超表面透鏡與VO2膜結(jié)合,設(shè)計(jì)了溫控的太赫茲超表面透鏡。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,通過(guò)改變透鏡的溫度能夠控制聚焦的焦點(diǎn)強(qiáng)度。當(dāng)樣品溫度低于337 K時(shí),焦點(diǎn)強(qiáng)度達(dá)到最大值;當(dāng)樣品溫度高于353 K時(shí),焦點(diǎn)消失;當(dāng)樣品溫度處于337-353 K之間時(shí),焦點(diǎn)的強(qiáng)度隨溫度的改變而改變。這種超薄的可調(diào)諧太赫茲透鏡有望被用于智能太赫茲系統(tǒng)或溫度傳感器中。
[Abstract]:In order to meet the practical application requirements , the terahertz wave modulator has been developed in order to meet the practical application requirements . The terahertz wave modulator has low efficiency and large volume , such as quartz wave plate and polyethylene lens . The focus disappears ; when the sample temperature is between 337 - 353 K , the intensity of the focus changes with the change in temperature . The ultra - thin tunable terahertz lens is expected to be used in an intelligent terahertz system or a temperature sensor .
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：O441.4;TN761

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本文編號(hào)：2002304