超材料是电磁特性能够突破天然材料限制的一种人工复合材料,其结构与电磁特性可根据需要自由设计。近些年来,受益于新材料和微纳加工技术的快速发展,研究人员已经研究出了越来越多的具有特殊电磁特性的超材料。虽然太赫兹辐射广泛存在于自然界中,但对太赫兹波有明显响应的传统材料却很少。而超材料具有传统材料所不具备的电磁特性,所以太赫兹与超材料的结合自然而然地成为发展太赫兹技术的一个研究热点。本课题依据超材料和太赫兹波的一些基础理论,重点对黑磷超材料和金属柱光子晶体在太赫兹频段的响应进行了详细的数值研究,具体内容如下:1.对本课题的背景和基础知识做了简要回顾。我们总结了太赫兹技术的发展历史和研究近况;对超材料和光子晶体做了简要介绍;详细说明了耦合谐振子模型和等效介质理论模型这两种常用于解释超材料响应机制的模型;推导了能够产生表面等离子激元的色散关系,并对几个重要的特征参数进行了介绍;简单介绍了光子晶体表面态及其谐振模式。2.黑磷超材料表面等离子激元研究。表面等离子激元可分为局域化表面等离子激元和传播型表面等离子激元两种。在本研究中,我们通过将二维材料黑磷设计成纳米尺寸的条形结构,成功激发了局域化表面等离子激元。为了更容易观察黑磷超材料产生的局域化电场,我们设计了一种反射式结构来增强光与物质的相互作用。详细研究了黑磷超材料的各个参数对太赫兹局域化表面等离子激元的影响,分析了F-P效应、结构之间的耦合作用以及黑磷占空比对整体结果的作用。3.类石墨烯光子晶体拓扑表面态的研究。在本研究中,我们仿照石墨烯的原子排布,将金属圆柱排列成六角蜂窝结构,设计了类石墨烯光子晶体。通过COMSOL Multiphysics软件计算得到与石墨烯类似的能带结构,之后通过打破光子晶体的C6对称性,将原来能带结构中的狄拉克点打破,形成能带间隙。然后将两种具有不同拓扑性质的光子晶体组合构建界面通道,实现受拓扑保护的无损表面态的传输和调控。