太赫茲波段金屬雙柱異向介質(zhì)的液晶調(diào)控.pdf

1、異向介質(zhì)作為一種新型電磁材料以其獨(dú)特的電磁特性，如負(fù)折射、完美成像、逆Doppler效應(yīng)、反常Cherenkov效應(yīng)等引起當(dāng)今電磁學(xué)界眾多研究者的強(qiáng)烈興趣。異向介質(zhì)為新型電磁（光學(xué)）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了巨大的機(jī)遇和可能性。微波、太赫茲、紅外甚至可見光波段不同結(jié)構(gòu)異向介質(zhì)的設(shè)計(jì)、異常電磁響應(yīng)特性及其應(yīng)用成為當(dāng)前電磁學(xué)、光學(xué)和材料科學(xué)研究的前沿?zé)狳c(diǎn)領(lǐng)域。
　　 太赫茲（0.1～10THz）波是指介于微波與紅外之間的電磁波，在國家安全、材料

2、科學(xué)和物理、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。但長期以來，由于缺乏有效的太赫茲波產(chǎn)生、檢測和相關(guān)技術(shù)，人們對(duì)于該波段電磁輻射性質(zhì)的了解非常有限，以至于該波段被稱為電磁波譜中的THz空隙，也是電磁波譜中有待進(jìn)行全面研究的最后一個(gè)頻率窗口。
　　 和太赫茲波源以及太赫茲的探測技術(shù)相比，對(duì)太赫茲的調(diào)制和操控目前尚缺乏特別有效的手段。盡管異向介質(zhì)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的調(diào)控，但對(duì)于一定結(jié)構(gòu)和尺寸的異向介質(zhì)，電磁（光）響應(yīng)的頻率和有效折射率

3、是固定的，限制了其應(yīng)用的頻率范圍和對(duì)電磁波的調(diào)控能力。因此，需要調(diào)節(jié)固定結(jié)構(gòu)參數(shù)異向介質(zhì)的響應(yīng)頻率，獲得對(duì)太赫茲波較好的調(diào)控效果。在這種情況下，我們研究了液晶對(duì)液晶-金屬雙柱異向介質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)在太赫茲波段響應(yīng)頻率及傳播方向的調(diào)控行為。
　　 金屬雙柱異向介質(zhì)結(jié)構(gòu)簡單，容易制作，適用于較小的尺寸；液晶對(duì)外場很敏感、具有流動(dòng)特性，可以很容易的進(jìn)入各種尺寸的結(jié)構(gòu)中；而大氣窗口是未來器件制作應(yīng)重點(diǎn)考慮的波段。因此，本文針對(duì)太赫茲的幾個(gè)重要

4、的大氣窗口對(duì)金屬雙柱異向介質(zhì)的電磁學(xué)響應(yīng)特性進(jìn)行研究，并通過模擬改變液晶的介電常數(shù)來研究液晶-金屬雙柱異向介質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)的響應(yīng)行為。論文的工作主要涉及以下幾個(gè)方面：
　　 1.在對(duì)金屬雙柱異向介質(zhì)太赫茲頻段的電磁響應(yīng)特性進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，通過改變金屬雙柱異向介質(zhì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)研究在太赫茲頻段幾何尺寸對(duì)電磁響應(yīng)特性的影響。得到如下結(jié)論：
　　 （1）對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)為：金屬柱橫截面邊長w=10μm，金屬雙柱間距d=10μm，金基板厚度

5、b=5μm，金屬柱長度l=75μm，晶格常數(shù)a=85μm的金屬雙柱異向介質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真模擬。根據(jù)表面電流分析其響應(yīng)機(jī)理及參數(shù)提取結(jié)果，表明該異向介質(zhì)在0.825～0.92THz范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)負(fù)折射，并通過楔形棱鏡進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　 （2）通過改變金屬雙柱異向介質(zhì)的幾何參數(shù)，獲得響應(yīng)頻率隨結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化曲線。結(jié)果表明，響應(yīng)頻率隨金屬雙柱間距、金屬柱長度、金屬柱橫截面邊長及晶格常數(shù)的增大而降低，隨基板厚度的增大而升高；基板厚度對(duì)透過率

6、基本沒有影響，金屬柱長度為74μm以及金屬柱橫截面邊長為10μm時(shí)有透過率最大值。
　　 2.我們?cè)诮饘匐p柱異向介質(zhì)中填充液晶，通過改變液晶介電常數(shù)模擬外場對(duì)液晶的作用來仿真液晶調(diào)控金屬雙柱異向介質(zhì)的情況，著重探索太赫茲波段大氣窗口附近液晶對(duì)其響應(yīng)頻率的調(diào)諧和電磁波傳播方向的調(diào)控能力。結(jié)果表明：
　　 （1）金屬雙柱異向介質(zhì)結(jié)構(gòu)參數(shù)為w=10μm，d=10μm，b=5μm，l=75μm，a=85μm時(shí)，當(dāng)液晶的介電常數(shù)從

7、2逐漸增大到4，液晶-金屬雙柱異向介質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)產(chǎn)生負(fù)折射的頻率從0.648THz逐漸變化到0.413THz，包含了0.65THz和0.5THz附近兩個(gè)大氣窗口；通過改變液晶的介電常數(shù)，可以在該頻段內(nèi)任一頻點(diǎn)實(shí)現(xiàn)負(fù)折射、零折射或正折射。
　　 （2）改變金屬雙柱異向介質(zhì)的尺寸，使液晶調(diào)控后的響應(yīng)頻率分別包含0.225THz（負(fù)折射產(chǎn)生的頻率0.157THz～0.256THz）和2.5THz（負(fù)折射產(chǎn)生的頻率2.07THz～2.99