THz波段亚波长金属光栅的偏振特性和慢光效应研究

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本文主要在理论上研究了THz波段亚波长金属光栅的偏振特性和慢光效应,实验上使用全息光刻方法成功制作亚波长Al金属光栅偏振器,并对其偏振性能进行了测试。论文的主要工作如下:首先,研究THz波段亚波长金属光栅的偏振特性。利用等效介质理论定性的分析了光栅的偏振特性,在TM偏振入射时光栅等效于一层电介质层,在TE偏振入射时等效于一层金属膜。使用RCWA方法严格分析了光栅结构参数、光栅材料、基底材料和介质层对金属光栅偏振特性的影响,得到了较好的结构参数。当以SiO2为基底的亚波长Al金属光栅的周期为2μm、深度为2μm、占空比为0.4时,它在1-10THz频段的TM透射率达到了82%,消光比达到了62dB,偏振性能远远高于传统偏振器件。在此基础上设计了一种双层Al金属光栅,它在1-10THz频段有着不错的TM透射率,而消光比相比单层金属光栅提高很多达到了132dB。接着,在实验上搭设双光束干涉光路,使用全息光刻方法成功制作了亚波长Al金属光栅,使用光学显微镜和原子力显微镜对其进行表征,光栅的周期为1.85μm,厚度为120nm,占空比约为0.5。并使用THz激光器搭设测试光路,对光栅偏振性能进行了测试,得到垂直入射时不同偏振角度下的透射率,与理论模拟符合较好,表明所制作的亚波长Al金属光栅在THz波段有着不错的偏振性能。最后,研究THz波段亚波长金属光栅表面等离子体慢光效应。首先,通过在光栅槽里完全填充介质降低了光栅伪表面等离子体(Spoof SPPs)的色散曲线,使用FDTD模拟了完全填充Si介质时光栅的慢光效应,获得了群速度仅为0.035c(c是真空中的光速)的光传输过程。接着,在光栅槽里填充一定厚度的介质,随着厚度的增大Spoof SPPs色散曲线降低,对应的截止频率减小,在完全填充时达到最小。计算了填充不同厚度Si介质时金属光栅的场衰减长度和传播长度,当填充厚度增大场衰减长度减小,光栅表面对光的约束作用增强,考虑实际金属为Al时其损耗很大,传播长度减小。利用填充介质厚度对色散关系的影响,设计一种Si介质填充厚度渐变光栅,实现了宽频段的慢光效应。然后,研究得到在完全填充介质的光栅上,添加不同厚度的介质膜也会影响Spoof SPPs色散关系,随着厚度的增大色散曲线下降,光栅表面对光的约束增强,场衰减距离和传播长度也都相应减小。利用介质膜厚度的影响设计了一种表面介质膜厚度渐变光栅,在THz波段实现了“rainbow trapping”。最后,简单介绍了无基底金属光栅的慢光效应,基于慢光效应的研究思路设计了一种多层金属光栅,它在THz波段有着不错的吸收性能,可以用来制作THz探测器。
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