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特的電磁特性，如負折射、完美成像、逆Doppler效應、反常Cherenkov效應等引起當今電磁學界眾多研究者的強烈興趣。異向介質(zhì)為新型電磁（光學）結構設計提供了巨大的機遇和可能性。微波、太赫茲、紅外甚至可見光波段不同結構異向介質(zhì)的設計、異常電磁響應特性及其應用成為當前電磁學、光學和材料科學研究的前沿熱點領域。
　　 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、科學和物理、化學、生物醫(yī)學等領域具有重要的應用。但長期以來，由于缺乏有效的太赫茲波產(chǎn)生、檢測和相關技術，人們對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行全面研究的最后一個頻率窗口。
　　 和太赫茲波源以及太赫茲的探測技術相比，對太赫茲的調(diào)制和操控目前尚缺乏特別有效的手段。盡管異向介質(zhì)可以實現(xiàn)對太赫茲波的調(diào)控，但對于一定結構和尺寸的異向介質(zhì)，電磁（光）響應的頻率和有效折射率

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

4、的大氣窗口對金屬雙柱異向介質(zhì)的電磁學響應特性進行研究，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)復合結構的響應行為。論文的工作主要涉及以下幾個方面：
　　 1.在對金屬雙柱異向介質(zhì)太赫茲頻段的電磁響應特性進行研究的基礎上，通過改變金屬雙柱異向介質(zhì)的結構參數(shù)研究在太赫茲頻段幾何尺寸對電磁響應特性的影響。得到如下結論：
　　 （1）對結構參數(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)結構進行仿真模擬。根據(jù)表面電流分析其響應機理及參數(shù)提取結果，表明該異向介質(zhì)在0.825～0.92THz范圍內(nèi)實現(xiàn)負折射，并通過楔形棱鏡進行實驗驗證。
　　 （2）通過改變金屬雙柱異向介質(zhì)的幾何參數(shù)，獲得響應頻率隨結構參數(shù)的變化曲線。結果表明，響應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時有透過率最大值。
　　 2.我們在金屬雙柱異向介質(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其響應頻率的調(diào)諧和電磁波傳播方向的調(diào)控能力。結果表明：
　　 （1）金屬雙柱異向介質(zhì)結構參數(shù)為w=10μm，d=10μm，b=5μm，l=75μm，a=85μm時，當液晶的介電常數(shù)從

7、2逐漸增大到4，液晶-金屬雙柱異向介質(zhì)復合結構產(chǎn)生負折射的頻率從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)任一頻點實現(xiàn)負折射、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)控后的響應頻率分別包含0.225THz（負折射產(chǎn)生的頻率0.157THz～0.256THz）和2.5THz（負折射產(chǎn)生的頻率2.07THz～2.99