THz表面等离激元滤波器与传感器实用化研究(一)

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太赫兹功能器件作为太赫兹测量的载体,是太赫兹科学技术实用化过程中的研究重点。而性能优良的功能材料是功能器件发展的必要条件。在太赫兹实用化过程中,中心频率可控是滤波器的必要条件,同时需要高灵敏度的传感器来检测和区分各种难以区分的物质。本文立足于太赫兹技术实用化研究,对上述问题做了初步研究。主要内容包括以下四个方面:一、利用固体材料物理学理论中Drude模型,分析推算出导体在电磁场中的介电函数以及导体的体积等离激元的数学表达。利用电磁场理论中最为经典的Maxwell方程组,推导出了表面等离激元与体积等离激元的关系,并得到表面等离激元极化波与入射电磁波的色散关系和传播距离。最后介绍了五种激发表面等离激元的方式。二、立足于拓宽太赫兹功能材料的种类,对功能陶瓷材料在太赫兹波段下的介电特性进行了研究。简单介绍了CCTO陶瓷的特性、应用、制备工艺及其在太赫兹波段介电常数的光控特性。重点研究了BLnT系陶瓷的中的BLT系和BNT系陶瓷从KHz到THz波段的介电特性。经研究发现:在该频率范围内它们的介电常数随频率变化不大,比较稳定,且在KHz到MHz波段具有良好的温控特性,由于受实验系统条件限制,其在THz波段的温控特性有待进一步验证。三、对可控式THz-SPP滤波器进行了初步研究。首先结合THz-SPP滤波器相关原理和数值模拟提取了实现其可调谐性的可控参数——基底电介质的介电常数。然后从SPP谐振峰位置、Q值、加工因素、材料及厚度四个方面详细列出了可控式THz-SPP滤波器进行结构设计时应注意的事项。同时设计并分析了基于半导体或超导体、向列液晶、功能陶瓷三种材料的结构方案。最后具体描述了可控式THz-SPP滤波器的制备工艺。四、进行了THz-SPP传感器用于微量固体粉末检测的实用化研究。设计了一款独立式不锈钢孔阵列作为THz-SPP传感器,通过研究不同厚度的乳糖涂层对传感器太赫兹透射谱的影响,提炼出了一个用于粉末检测识别的特征参数——极限谐振频率ωf。基于该特征参数,对谷氨酸的旋光异构体(L-谷氨酸和D-谷氨酸)进行了传感区分,实验结果呈现出很明显的光谱区分,区分度达到22GHz。
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