超材料太赫茲波器件的設(shè)計、制備與性能測試.pdf

1、超材料是一種由亞波長的金屬共振單元組成的人工復(fù)合材料,通過合理的設(shè)計金屬結(jié)構(gòu),可以實現(xiàn)各種奇異的電磁現(xiàn)象。鑒于這一特點,超材料可以廣泛用于電磁隱身、完美吸收、負折射率等研究領(lǐng)域。近年來,隨著太赫茲技術(shù)的快速發(fā)展,基于超材料太赫茲波器件的研究報道也越來也多,如太赫茲濾波器、太赫茲吸波器和太赫茲線柵偏振器等,超材料太赫茲波器件在太赫茲成像、光譜和生物傳感等領(lǐng)域有著很大的應(yīng)用潛質(zhì)。目前,絕大多數(shù)超材料太赫茲波器件的制備方法是采用傳統(tǒng)光刻技術(shù),

2、但這種制備方法流程十分復(fù)雜、制備周期較長及設(shè)備成本高。因此,尋求一種設(shè)備成本低、流程簡單、快速的太赫茲器件制備方法成為了關(guān)注的焦點。本文在國內(nèi)首次把激光誘導(dǎo)和化學(xué)鍍銅的方法成功地用于超材料太赫茲波器件的制備,并利用基于有限積分法的三維全波仿真軟件CST Microwave Studio設(shè)計了用于太赫茲波段的線柵偏振器、TU結(jié)構(gòu)諧振器和三環(huán)結(jié)構(gòu)多頻帶濾波器,運用太赫茲時域光譜系統(tǒng)(THz-TDS)對制備的器件性能進行了實驗測試,實驗結(jié)果和

3、設(shè)計結(jié)果基本相符。本文主要研究工作分為四個部分:
　　(1)在國內(nèi)首次提出了利用激光誘導(dǎo)和化學(xué)鍍銅的方法在聚酰亞胺薄膜上制備超材料太赫茲波器件。主要工作包括激光曝光系統(tǒng)的搭建、樣品制備流程和工藝的研究以及化學(xué)鍍銅方法的研究。目前,我們利用這種方法可制備的最小金屬銅線寬度為7μm,能基本滿足大部分太赫茲器件的要求。實驗表明,激光誘導(dǎo)化學(xué)鍍是一種簡單、有效、靈活的制備太赫茲器件的方法。
　　(2)利用 CST分析了線柵周期、占空

4、比和金屬厚度對線柵偏振器性能的影響,為制備高性能的線柵偏振器提供了很好的理論依據(jù)。在當(dāng)前制備工藝條件允許范圍內(nèi),優(yōu)化線柵偏振器的參數(shù),設(shè)計和制備了一個以聚酰亞胺為襯底的銅質(zhì)線柵偏振器。測試結(jié)果表明:在0.2-1.5THz范圍內(nèi),線柵偏振器的TM波透過率高于54％,消光比高于20dB,并且在0.3THz附近優(yōu)于37dB,與國際報道的硅、高密度聚乙烯襯底線柵的消光比相近。
　　(3)首次提出和制備了一種基于TU平面結(jié)構(gòu)的太赫茲波諧振器

5、,并利用CST和THz-TDS對其性能進行了數(shù)值模擬和實驗測試。研究結(jié)果表明:在0.2-1.2THz范圍內(nèi),該諧振器對電場偏振方向敏感,不同的電場偏振方向產(chǎn)生的諧振頻率不同。當(dāng)電場偏振平行于T與U之間的間隙時,該樣品具有三個共振峰,其中心頻率分別為0.37THz、0.73THz、0.96THz;當(dāng)電場偏振垂直于T與U之間的間隙時,該樣品僅在0.84THz處有一個共振特性峰。為了了解共振峰產(chǎn)生的機理,還對各共振頻率處的場能分布進行了模擬分

6、析。對電場偏振平行于T與U之間的間隙時,三個共振峰與TU尺寸之間的關(guān)系進行了數(shù)值模擬分析。
　　(4)首次提出并制備了一種基于三個方形封閉諧振環(huán)(CRR)結(jié)構(gòu)的太赫茲多頻帶濾波器。利用CST分析了共振峰產(chǎn)生的機理,討論了CRR結(jié)構(gòu)尺寸與共振頻率之間的關(guān)系。三個CRR濾波器共振峰的產(chǎn)生除了有自身電場耦合作用和相鄰環(huán)間的磁場耦合作用外,還有內(nèi)、外環(huán)的作用。對所制備的濾波器進行了透射性能測試,獲得該濾波器三個共振峰的中心頻率分別為0.3