【摘 要】
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太赫兹波在电磁波谱上处于微波与红外波段之间的特殊位置,具有其他频段电磁波所不具备的独特优势,其应用主要概括为通信、成像和频谱三个方面,在军事、安防、天文、生物医学等领域发挥着重要的作用,因此备受世界各国的重视。由于自然界中缺少能对太赫兹波产生较强电磁响应的材料,太赫兹波的调控仍是一大难点。本文即针对这一问题,重点聚焦基于超表面的太赫兹波束调控器件,主要研究内容如下:(1)设计了一种太赫兹完美反射超
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太赫兹波在电磁波谱上处于微波与红外波段之间的特殊位置,具有其他频段电磁波所不具备的独特优势,其应用主要概括为通信、成像和频谱三个方面,在军事、安防、天文、生物医学等领域发挥着重要的作用,因此备受世界各国的重视。由于自然界中缺少能对太赫兹波产生较强电磁响应的材料,太赫兹波的调控仍是一大难点。本文即针对这一问题,重点聚焦基于超表面的太赫兹波束调控器件,主要研究内容如下:(1)设计了一种太赫兹完美反射超表面,工作频率为0.34 THz,在反射角为66°时,反射效率可达90.3%。该超表面由3-bit编码单元排列而成,依据阻抗匹配所需的相位分布设计编码序列。此外还研究了影响反射效率的因素,包括初始相位、编码序列和阵列大小,对完美反射超表面的设计流程进行了优化和完善。(2)设计了一种基于二氧化钒超表面的可调反射式太赫兹波聚焦器件。利用二氧化钒的相变特性,在保证结构尺寸不变的情况下,单元的相位响应在二氧化钒相变前后相差180°,构成1-bit超表面。再根据波束聚焦所要求的相位分布进行单元排列,用菲涅尔衍射积分公式计算了焦平面的电场分布,以焦点位置为(0,0,950),(500,2400,1900)和(-300,1200,1100)(单位:μm)的三种情况为例验证了设计方法的正确性。(3)对基于二氧化钒的可重构太赫兹超表面的实现进行了初步探索。针对实现每个单元独立可控的问题,研究了光控方法的可靠性。实验结果表明,经功率密度为4.5 W/cm~2的连续激光源照射数秒,二氧化钒即可发生相变。只有利用大功率激光源进行短时间照射才能降低热扩散的影响。最后,根据实验结果提出了具备记忆效应的可擦写超表面并详细阐述了工作原理。此外,还设计了一种基于电控二氧化钒超表面的宽带太赫兹开关器件,可在高透过率与高吸收率两种状态间切换。器件的有效带宽为0.13 THz,中心工作频率为0.63 THz,调制深度保持在0.65以上。
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