【摘 要】
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太赫兹波由于光子能量低、穿透力强、频带范围宽等特点,在宽带无线通信、生物传感、安全检查和光谱成像等领域有巨大应用前景。在太赫兹通信、成像、传感检测等应用领域都需要对太赫兹波幅值与偏振进行调控,传统自然材料由于尺寸限制,对太赫兹波幅值与偏振的调控能力有限。超材料是一种周期性亚波长结构组成的人工电磁材料,基于超材料的太赫兹器件设计灵活、体积小、易于集成,已经成为太赫兹波调控器件研究重点之一。二氧化钒是
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太赫兹波由于光子能量低、穿透力强、频带范围宽等特点,在宽带无线通信、生物传感、安全检查和光谱成像等领域有巨大应用前景。在太赫兹通信、成像、传感检测等应用领域都需要对太赫兹波幅值与偏振进行调控,传统自然材料由于尺寸限制,对太赫兹波幅值与偏振的调控能力有限。超材料是一种周期性亚波长结构组成的人工电磁材料,基于超材料的太赫兹器件设计灵活、体积小、易于集成,已经成为太赫兹波调控器件研究重点之一。二氧化钒是一种热相变材料,在68℃会由绝缘态向金属态转变,这种特殊性质可用于构建可重构超材料,实现对太赫兹波参量的的动态调控。本文研究基于二氧化钒的太赫兹波幅值与偏振调控,主要工作如下:1.对太赫兹超材料的理论进行系统研究,分析了二氧化钒在太赫兹波段的色散模型并进行了仿真建模。构建了基于二氧化钒的超材料,研究了超材料对太赫兹波传输与反射的影响。2.设计并制作了基于二氧化钒超材料的太赫兹波幅值调控器件,用太赫兹时域光谱系统对样片进行了测试。结果表明:（1）器件未加电时的透射谱为一个通带,其下限截止频率为0.33 THz,上限截止频率为1.17 THz,位于0.7 THz处的峰值为0.63,半峰全宽为0.58 THz;（2）器件加电时,在0.4 A电流下二氧化钒发生相变,太赫兹波透射峰值幅度由0.63降低至0.13,调制深度达到了79%,并且断电后可以很好的恢复到加电前的状态。同时,通过对测试数据处理得到了二氧化钒在器件中产生的磁滞回线,发现器件的磁滞效应很小。因此,该器件可实现太赫兹波透射幅值的动态调控。3.设计了基于二氧化钒超材料的反射式太赫兹波交叉偏振转换器,通过控制二氧化钒相变来改变交叉偏振转换的带宽。在1.58-2.08 THz范围内实现了交叉偏振转换,偏振转换率达到了95%。通过改变二氧化钒电导率使偏振转换的带宽由0.5 THz变为0.04 THz,相对带宽由27%降低到1.9%。通过对器件表面电流的分析,发现宽带偏振转换是由三个谐振频点叠加产生,二氧化钒使带宽变窄是由于相变导致其中两个谐振消失。同时,还分析了器件介质层厚度与入射波偏振角度对反射波的影响。本文的设计思路与方法对太赫兹波主动调控器件的研发有十分重要的参考价值。
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