Metamaterial太赫兹调制器及相关研究(样稿)

1、山东科技大学学士学位论文I摘摘 要要Metamaterial 指的是一些具有人工设计的结构，并呈现出自然材料所不具备的超常物理性质的复合材料，它能够以一种新奇的方式实现对电磁波的调控太赫兹波段 Metamaterial 的实现产生了全新的操纵太赫兹波的技术本文主要包括以下内容: 1Metamaterial 的实现原理和一般结构2各种基于 Metamaterial 的电控、光控和温控太赫兹调制器3太赫兹 Metamaterial 偏振特性，互补特性，手性及高温超导材料的太赫兹 Metamaterial 的研究情况关键词关键词：Metamaterial，太赫兹，调制器IIAbstractMetam

2、aterials are fascinating new manmade materials acquire novel electromagnetic properties that can manipulate beams of light in surprising ways Some new technology to manipulate of terahertz wave have brought out as a result of the realization of Metamaterial in terahertz regime The main contents of t

3、his paper are as follows The first part is about the theory and structure of Metamaterials The second part is about some Metamaterial terahertz modulator The last part is on some Metamaterials with novel properties such as polarization， complement， chirality and High Temperature SuperconductingKey w

4、ords: Metamaterial，terahertz，modulator山东科技大学学士学位论文III目 录第一章第一章 绪论绪论 .11.1 引言引言.11.2 Metamaterial 概述概述 .21.3 Metamaterial 的原理的原理.41.3.1 细金属线点阵.51.3.2 开口环谐振器.61.3.3 负折射率 Metamaterial.81.4 选题背景选题背景.81.5 论文结构及主要内容论文结构及主要内容 .9第二章第二章METAMATERIAL 太赫兹调制器太赫兹调制器.92.1 电控电控 Metamaterial 太赫兹调制器太赫兹调制器.92.2 光控光控 M

5、etamaterial 太赫兹调制器太赫兹调制器.142.3 温度调谐的太赫兹温度调谐的太赫兹 Metamaterial.202.4 太赫兹空间光调制器太赫兹空间光调制器 .22第三章第三章 太赫兹太赫兹 METAMATERIAL 的其他研究的其他研究.263.1 太赫兹太赫兹 Metamaterial 的偏振特性的偏振特性.26IV3.2 Metamaterial 的互补特性的互补特性 .283.3 手性太赫兹手性太赫兹 Metamaterial.293.4 法诺共振太赫兹法诺共振太赫兹 Metamaterial.313.5 高温超导太赫兹高温超导太赫兹 Metamaterial.33第四章

6、第四章 总结与展望总结与展望.35参考文献参考文献.36致致 谢谢 辞辞.40附附 录录.41一种太赫兹调制器一种太赫兹调制器.47山东科技大学学士学位论文1第一章第一章 绪论绪论1.1 引言引言太赫兹波（T-rays）是指频率范围大致为 0.330THz（波长在 之间） ，介于微波与远红外光之间的一段电磁波段，如图 13 30mmm示太赫兹波在电磁波谱中占有一个很特殊的位置，在频域上，该波段处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区；从能量上看，太赫兹波段的能量介于电子和光子之间，处于电子学向光子学的过渡区域长期以来由于缺乏有效的产生和探测太赫兹辐射的方法，人们对于该波段的了解有限， 使得太赫兹

7、成为电磁波谱中最后一个未被全面研究的频率窗口，被称为电磁波谱中的太赫兹空隙 ( THz Gap)太赫兹波以其具有的独特的特性在生物医学诊断、安全成像、军事探测、射电天文学、大气研究、高速通信、包装产品的质量控制、农业湿度分析等方面有着重要应用前景太赫兹无线通信所具有的高带宽，高比特率的特点，使其在未来短距离无线通信方面具有巨大的应有潜力 Metamaterial 太赫兹调制器及相关研究2近二十年来，太赫兹时域光谱技术和量子级联激光器的发展，为太赫兹波的研究提供了合适的光源和探测手段，使得太赫兹发射和探测技术都有了很大的发展太赫兹调制器作为操纵太赫兹信号传输系统的一个关键部件，其相关研究对太赫兹

8、科学和技术的进一步应用具有重大意义由于天然材料对太赫兹波段的电磁响应非常微弱，难以实际应用于操纵太赫兹波，因而相较于太赫兹发射和探测技术的飞速发展，操控太赫兹的技术却显得进展缓慢最近几年来 Metamaterial 的相关研究，使人们看到了人为操纵太赫兹波传输的新希望Metamaterial 能够以一种新奇的方式实现对电磁波的调控，而且通过改变 Metamaterial 的几何尺寸调节其共振频率，因此太赫兹波段 Metamaterial 却很容易实现因此太赫兹波段Metamaterial 研究迅速成为 Metamaterial 的一个研究热点，而各种Metamaterial 太赫兹调制器的相关

9、研究尤其引人注目，太赫兹 Metamaterial的实现为产生全新的操纵太赫兹波的技术，发展新型的太赫兹调制器件提供了新的机遇 1.2 Metamaterial 概述概述Metamaterial 指的是一些具有人工设计的结构，并呈现出自然材料所不具备的超常物理性质的复合材料，它能够以一种新奇的方式实现对光波的调控 Metamaterial 一词最初由 Walser 提出，用于表示具有两种或两种以上的天然材料所不具有的电磁响应的三维周期性人工复合材料然而，一些后来出现的 Metamaterial 却并不完全符合这一定义虽然，目前科学界尚未对 Metamaterial 的结构达成一致，但一般认为可

10、以用一下特点来分别 Metamaterial 与传统材料：（1）其结构可以用一系列类似的等效电磁参数描述 （2）这些参数由微小导电共振器阵列的集体响应所共同决定 （3）所有共振器呈周期性排列结构 （4）这些周期性排列结构的晶格山东科技大学学士学位论文3常数小于或等于是所操纵电磁波波长的十分之一这些特征就把Metamaterial 与光子晶体（photonic crystals） ，金属孔阵列（metallic hole arrays） ，频率选择表面（frequency-selective surfaces）等其他的用于操纵电磁波的人造结构区分了开来 Metamaterial 通常是由亚波长结

11、构的金属共振器和电介质组成的，其独特的电磁特性主要源自于它的共振结构单元而不是像常规材料一样取决于其构成原子或分子Metamaterial 概念的最初被提出与负折射率介质(NIMs)有关的，由于负折射率介质的介电常数 和磁导率 都为负值，电场、磁场和波矢三者不是像常规材料一样构成右手关系而是成左手关系，因而负折射介质有时也被称为左手材料(LHMs)20 世纪 60 年代前苏联物理学家 Veselago 由麦克斯韦方程组出发，从理论上分析了电磁波在介电常数与磁导率同时为负的介质中的传播特性，指出介电常数与磁导率同时为负的材料的存在是不违反物理学定律的，并且这种材料具有负折射率、逆多普勒效应、逆古

12、斯汉森相移、逆契仑科夫辐射等奇异的物理特性1但是由于在自然界中一直无法找到天然的负折射介质，Veselago 本人也没有提出实现材料的介电常数与磁导率同时为负的方案，在其后的近 30 年间，有关负折射的研究几乎没有得到任何进展直到 20 世纪 90 年代，英国科学家 Pendry 提出可以利用金属线阵列 (wire mesh) 获 得 负 的 介 电 常 数， 利用 开 口 环 共 振 器 阵 列 (Split-Spring Resonators， SRRs)获得负的磁导率，进而可以通过将周期性的金属线阵列和开口环共振器阵列组合起来的亚波长结构得到负折射率材料，这为 Metamaterial

13、的兴起奠定了基础22000 年 Smith 等根据 Pendry 等人的理论模型，首次制备出微波段同时具有负介电常数和负磁导率的材料，并通过实验观察到了负折射现象3随后，近红外和光波段 Metamaterial 也被成功制备 Metamaterial 新奇的电磁特性为改进已有的光学设备和探索新的应用Metamaterial 太赫兹调制器及相关研究4提供了新机遇,相关的研究进展包括能够突破衍射极限的超棱镜（superlenses） ，对样品的数量变化和响应灵敏的生物传感器，磁耦合性更好的核磁共振成像仪，隐身斗篷，用幻影代替真实物体图像的设备等由于 Metamaterial 研究的兴起，使得相关的

14、基础研究，新颖的设计和先进应用等新的研究领域将对物理理论和工程应用产生重大影响1.3 Metamaterial 的原理的原理负折射率 Metamaterial 主要由细金属线点阵（Lattice of Thin Wires）和开口谐振环（split-ring resonators ，SRRs)两种结构实现细金属线点阵独特的电场响应可以实现负的介电系数，开口环谐振器的磁场响应可以实现负磁导率根据复数形式的麦克斯韦方程组和媒质的本构关系可推出正弦时变电磁场的波动方程为亥姆霍兹方程: (1)220Ek E其中对于和都为正的介质，方程22200rrk （1）有波动解，电磁波能在其中传播其传播常数取决于

15、介质的宏观k参数和对于无损耗、各向同性、空间均匀介质，由麦克斯韦方程组可以得到 (2) ,0,0kEH kHE kEkH 可见在常规媒质中电场强度、磁场强度 和传播矢量之间满足EH k右手螺旋关系，电场强度和磁场强度大小的比例关系取决于介质的波阻抗如果介质的和都是负数，仍有实数解，即方220k 程（1）仍有波波动解，电磁波仍能在其中传播，从（2）中可以明确的看出，此时电场强度、磁场强度 和传播矢量三者之间不再满足右手手EH k螺旋关系而是满足左手螺旋关系电磁波能流的方向取决于坡印廷矢量山东科技大学学士学位论文5的方向，由可知， 始终与构成右手螺旋关系因此在S SEH S E H 、和都是负数的

16、介质中与方向将相反，取为负数，则折S k-k 射率也为负数，因此这种介质也被称作负折射率材料（negative-ncckvindex materials ，NIMs)通过细金属线点阵和开口谐振环的组合结构即可实现和同时为负，从而制成的负折射率材料41.3.1 细金属线点阵细金属线点阵 在频率很高的紫外波段，常规金属材料的电场响应机理可以用 Drude模型解释，该模型将金属中自由电子在电场中的看作与气体分子类似的自由电子气金属的等效相对介电常数及等离子频率为 （3）22220( )1,peffpeffNemj 其中与传播损耗有关， 为电子等离子体频率，N 为电子体密度，pe 为电子的电量， 为电

17、子的有effm效质量对于常温下的金属，比如金的等离子频率约2235.9 10Ncm为 138nm 位于紫外波段，微波或太赫兹波将受到很强烈的衰减而无法在其中传播但是对于的紫p外或更高波段，则几乎透明因此为了在微波和太赫兹等较低波段获得电场响应，必须要降低材料的等离子频率由（3）式可知可以通过改Metamaterial 太赫兹调制器及相关研究6变电子的有效质量和体密度来降低其等离子频率细金属线结构Metamaterial 如图 2 所示， 在该结构中电子体密度因线元之间的空隙而得到稀释，而电子却由于受到金属线之间的互感作用所施加的力的作用而使得有效质量变大通过分析可以得到 （4）22022ln(

18、)pcaar式中 a 是金属线点阵之间的间距，r 是金属线的半径，是真空中的0c光速由（4）可知通过调节 a 与 r 的值即可调节由（1）可以看出，p当时即可得到负电导率p1.3.2 开口环谐振器开口环谐振器如果材料中存在可以产生磁偶极矩的电流回路，那么原本不具有磁性的材料中也可以获得磁场开口环谐振器就是采用了这个原理，通过亚波长结构的导电回路，对特定方向的电磁波产生磁响应如图 3 所示，每个开口环结构单元由两个开口方向相反的同心金属圆环构成当它与沿轴线方向振动的磁场耦合时，金属环内将产生环形电流，山东科技大学学士学位论文7进而激发平行于磁场的磁偶极子回路电感和开口电容可以等效为 LC 振荡回

19、路，在共振频率处将产生强烈的磁共振响应该结构中内环的作用在于增大双环结构的净电容，进而降低共振频率因而加入内环后可以增大工作波长与开口环几何尺寸之间的比值，从而开口金属环整体上相对于激发的电磁场显得更加均匀除此之外，移去内环对材料整体特性并无其他影响根据洛伦兹模型，由开口谐振环结构周期性排列的 Metamaterial 受到磁激励时所等效的磁导率为 (5)2220( )1effmFj 式中表示磁共振频率，表示能量损耗，F 表示填充系数0m磁共振频率与开口谐振环几何尺寸之间的关系为 (6)2200332lnmlccrd等离子频率表达式为mp (7)2201mmpF因此，在的频率范围内，等效磁导率

20、为负数0mmp有些情况下，我们希望开口谐振环只产生单纯的电场响应而不需要磁场响应，这时可以利用下面这种对称性型开口谐振环来实现其机理如图 4 所示， （a）外加振荡磁场将因在开口环谐振器两侧所激发的回路电流因相互抵消而不Metamaterial 太赫兹调制器及相关研究8能产生磁耦合 （b）外加电场将在开口环谐振器两侧分别所激发的顺时针和逆时针的回路电流，两侧回路电流所激发的磁场等值反向，相互抵消1.3.3 负折射率负折射率 Metamaterial由前面的讨论可知，细金属线结构单元和开口环结构单元可以分别实现负的介电系数和磁导率2000 年，Smith et al 通过将这两种结构的组合在一起

21、首次在微波波段实现了负折射率3其结构如图 5 示，开口环谐振器结构单元和细金属线结构单元交替着按周期排列，并且使电场方向平行与细金属线，磁场方向平行与开口环轴线方向1.4 选题背景选题背景太赫兹波在生物医学诊断、机场安全成像、军事探测、射电天文学、大气研究、高速通信、包装产品的质量控制、农业湿度分析等方面的重要应用前景在应用需求的推动下，太赫兹科学技术已取得了很大的进展，特别是近二十年来，太赫兹时域光谱技术和量子级联激光器的发展，使得太赫兹发射和探测技术都有了很大的发展由于天然材料对太赫兹波段的电磁响应非常微弱，难以实际应用于操纵太赫兹波，因而太赫兹波传输过程中需要的太赫兹滤波器，调制器，开关

22、等各种功能器件的研究仍然较为薄弱最近几年来 Metamaterial 的相关研究，使人们看到了人为操纵太赫山东科技大学学士学位论文9兹波传输的新希望Metamaterial 能够以一种新奇的方式实现对电磁波的调控，而且通过改变 Metamaterial 的几何尺寸即可调节其共振频率，因此太赫兹波段 Metamaterial 却很容易实现因此近年来，太赫兹Metamaterial 的相关研究迅速成为一个国际前沿的热点研究领域，其中Metamaterial 太赫兹调制器的研究尤其引人注目1.5 论文结构及主要内容论文结构及主要内容 本文主要介绍了目前国际上太赫兹 Metamaterial 的研究进

23、展情况，具体内容安排如下：第一章为绪论，主要介绍了 Metamaterial 的背景知识，Metamaterial的实现原理和一般结构第二章主要介绍了各种 Metamaterial 太赫兹调制器首先介绍了两种电控的 Metamaterial 太赫兹调制方案，然后介绍了几种光控 Metamaterial太赫兹调制器的研究情况，接着介绍了一种可以温度调谐的太赫兹Metamaterial，最后介绍了一种电控的 Metamaterial 太赫兹空间光调制器第三章太赫兹 Metamaterial 的一些其他研究进展主要包括太赫兹Metamaterial 偏振特性的研究，具有互补 Metamaterial

24、 的透射特性研究，手性太赫兹 Metamaterial 的相关研究及基于高温超导材料的太赫兹Metamaterial 的研究情况第二章第二章Metamaterial 太赫兹调制器太赫兹调制器2.1 电控电控 Metamaterial 太赫兹调制器太赫兹调制器建造在半导体基底上的平面 Metamaterial 可以通过外加激励调节其共振强度，进而调节其透射特性Metamaterial 太赫兹调制器能够集成到芯Metamaterial 太赫兹调制器及相关研究10片平台上，这将在太赫兹短距离安全通信等方面具有重要应用2006 年，HTChen 等提出了一种基于 Metamaterial 的太赫兹调制

25、器，它能够对太赫兹辐射进行有效的实时调控，其实验样品如图 6 所示利用微加工技术将金制的开口谐振环阵列雕刻在 5 mm5 mm 的半导体基底上，晶格周期为 50 m，电共振环的几何尺寸具体为：A=36 m， G=52 m，D=10 m，W=54 m这样金属和半导体基底的接触表面就共同地形成了一个等效肖特基二极管 (Schottkg Diode)，加载一定的电压在基底和微带材料之间，半导体基底与金属谐振环可共同等效为 LCR 共振电路模型，如图 6(b) 所示，其中虚线部分为可变电阻器，相当于基底中自由载流子在缺口处的吸收损耗，改变外置偏压的大小就可改变缺口处的载流子浓度，从而实现对共振强度的调

26、谐以控制太赫兹波的传输在反向偏压达到 16 V 的条件下，在 072 THz 频段处由于共振的增强使得太赫兹波的透射强度下降了 50%，并且在 125 THz 的共振处，其透射强度也随着反向偏压的增大而减小，因此该装置可作为一个窄带太赫兹调制器，并可在室温的环境下运行2009 年，他们在上述结果的基础上又提出了一种线性的电控Metamaterial 太赫兹相位调制器，在外加 16V 的电压时可以达到大约的相移其单个共振单元的原理示意图如图 7.a 所示，先在本征半导6体材料 GaAs 生长一层掺杂电子体密山东科技大学学士学位论文11度为的厚 N 型 GaAs 薄膜，然后将金制的开口谐振环刻在1

27、632 10 cm1 m上面应用太赫兹时域光谱技术所得实验结果如图 8 所示，由图可以看出该结构分别在 0.81 THz 和 1.7 THz 处实现了共振由图 7a 和 7b 中共振频率处表面电流的分布情况可以看出，081 THz 处的共振是由于共振环所等效的 LC 共振回路所引起的，1.7 THz 处的共振则是由于偶极子的集体效应引起的由图 8.a 中虚线可以看出，在 081THz 共振处，外加16V 偏压时，材料的透射系数由无外加偏压时的 056 下降到了 0.25，透射振幅下降了 55%，透射强度下降了 80%在 1.7 THz 共振处透射振幅也由 0.48 下降到了 0.30 由图 8

28、 (b)中的实线可以看出，在 0.89 THz 处约23GHz（0.880-0.903 THz）的带宽内在透射波振幅基本不变（变化小于 10%） ，而透射相位却由未加偏压时的变化到了外加 16V 偏压时的00.05Vrad，相位改变而且如果将多层这样的结构组160.51Vrad 0.56rad 合起来，可以达到的最大相移图 8 (c)给出了 0.81 THz 处的透射振幅2和 0.89 THz 处透射相位与外加偏压的关系图，由图可知，它们都与外加偏压成线性关系因此，可以用该 Metamaterial 制造电压调控的太赫兹相位调制器根据克拉茂-克朗尼希关系，透射振幅和相移并不是相互独立的，相移正

29、比于振幅对频率的导数，不同频率处透射率满足12()()12( )( )( )VViiVVttete因此，虽然振幅和相位的本征响应都是窄带的，但由于克拉茂-克朗尼希关系，该器件也可用作宽带调制器 图 9 为作为宽带调制器时，应用太赫兹时域光谱技术所得到的实验结果由图可以看出，在 0.8 THz 至 1.7 THz的带宽范围内，透射系数始终保持在 25%左右，非常平稳而且该调制器相较于已经商业化的机械斩波器结Metamaterial 太赫兹调制器及相关研究12构紧凑，体积很小，无运动部件，能够达到很高的调制速率，且能够对太赫兹波进行直接调制，因此可以真正的与回波振荡器、太赫兹量子级联激光器等太赫兹

30、发射装置集成在一起山东科技大学学士学位论文14Metamaterial 太赫兹调制器及相关研究15山东科技大学学士学位论文16 2.2 光控光控 Metamaterial 太赫兹调制器太赫兹调制器 肖特基二极管和平面 Metamaterial 组合和结构由于具有较大的电容和串联电阻，因而制成的电控太赫兹调制器调制速率相对较低 2006 年，WJPadilla 等首次提出了一种光控的太赫兹 Metamaterial 器件该器件也是将金属开口谐振环结构建造在 GaAs 基底上，通过光激励可以在 GaAs半导体基底上衬底上的激发光生载流子，调控光泵功率即可调节谐振环开口处的载流子浓度，实现对开口电容

31、的调谐，从而调控太赫兹波的传输该 Metamaterial 中铜膜和 GaAs 基底厚度分别为 3和 670，开mm口环的外部尺寸为 36，排列周期为 50形状如图 10（c） 、 （d）所mm示图 10（） 、 （）分别为透射率及其对应的相位随频率的变化曲线，其中红线对应电场垂直于开口方向的情况，蓝线对应电场平行于开口方向的情况Metamaterial 太赫兹调制器及相关研究17由图 10（a）可以看出，当电场垂直于开口方向时，在和两处都01出现了共振在共振频率处透射强度下降到了 15%，在00.5THz处更是下降到了 10%以下入射频率分别为和时开口环11.6THz01中表面电流分布分布如

32、图 10（c） 、 （d）所示，从图中可以看出共振的0出现是由于开口环所等效的 LC 共振回路的共振效应，共振的的出现则1是由于金属环的侧边引起的电场平行于开口时不会引起 LC 共振，因此处共振的出现与原因相同由于处共振与开口处载流子|1.38THz10浓度密切相关，可以想象 共振将0对光照条件比较敏感山东科技大学学士学位论文18不同泵浦功率的激光脉冲照射时材料的透射率和相位随频率的变化曲线如图 11 所示实验时用的是 50 飞秒并将激光脉冲提前 5 皮秒照射到材料上，以便太赫兹脉冲入射时载流子浓度处于准稳态由于处共振与开0口处载流子浓度联系紧密，从图（a）可以看出，很弱的泵浦光功率（0.5

33、mW）即可使其熄灭而共振在弱泵浦条件下时几乎不变，只有当泵浦1光功率达到 5.0 mW 以上时，才能将其熄灭由图（b）可以看出，在共振频率附近从 550 GHz 到 600 GHz 的范围内介电常数小于零，且在 560 0GHz 处达到最小在附近 1.6 THz 到 1.66 THz 的范围内介电常2.5 1数也为负，且最小能达到而2.6且附近的负介电系数稍微泵浦就0Metamaterial 太赫兹调制器及相关研究19会消失，而在附近却要在强泵浦条件下才能消失，这正与透射特性曲线1相对应因此，该材料在频率处可以很容易通过激光束实现的太赫兹波0调制，制成太赫兹开关等太赫兹功能器件 GaAs 中载

34、流子寿命约为1ns，因此用该材料可以制成开闭时间不小于此值的光控太赫兹开光而且如果采用 GaAs:ErAs 异质节等其他具有更短的载流子寿命的半导体结构，将能够达到更短的开闭时间2009 年，JMManceau 等提出了一种光控的太赫兹相位调制器上面提到的 HTChen 等提出的基于电压控制的 Metamaterial 太赫兹相位调制器单层材料的调制带宽较窄，只有 23 GHz，而JMManceau 等设计的结构实现了 250 GHz 的带宽实验样品如图 12所示，各参数如下：a=50， b=36， d=3， g=2， and w=6 mmmmm太赫兹波垂直入射，电场方向平行与开口方向，样品放

35、置在其焦点处，山东科技大学学士学位论文20泵浦光以 45 度角入射，并稍超前 5 皮秒，以便太赫兹波入射时载流子浓度处于准稳态实验时用中心波长为 800 nm 的 Ti:Sa 半导体激光器的近红外强飞秒脉冲泵浦，脉冲长度为 35 飞秒实验结果如图 13 所示，由图可以看出在 1 THz 到 1.25THz 约 250 GHz 的频带宽度内，当用光26J cm照射样品时，与未用光照射相比在透射振幅基本不变而透射波的相位却变化约4 2010 年，Jiu-Sheng 也提出了一种基于光控机理的 Metamaterial 太赫兹调制系统实验样品将 210 nm 厚的金膜刻在 500厚的本征硅半导m体基

36、片上，图 14 是其在 SEM 下的图像，各结构参数如下：a=40，b=30，c=2，d=4图 15 为整个实验系统的结构示mmmm意图回波振荡器（backward-wave oscillator，BWO)用作太赫兹波的发生装置，实验样品放置在太赫兹波聚焦处，并用受调制的半导体激光器照射半导体激光器的功率为 100 mW，发射波长为 808 nm 的连续激光脉冲Metamaterial 太赫兹调制器及相关研究21山东科技大学学士学位论文22 激光照射条件下，太赫兹波在 0.23 到 0.36 THz 的频率范围内的透射谱线如图 16 所示由图可以看出，在 0.32 THz 处透射强度光照前后变

37、化最大因此在进行实验时，将回波振荡器发射的太赫兹波频率调到了 0.32 THz 并用 0.1 Kb/s 的方波电压信号调制半导体激光器，探测器测得的太赫兹波强度随时间的变化曲线如图 17 所示实验结果表明，这种调制器的调制速率为 0.1 Kb/s，调制深度为 57%硅的光生载流子的寿命大约为几毫秒，因此调制速率可以达到兆赫量级，但是由于实验系统中热电探测器的响应时间的限制，而无法测量2.3 温度调谐的太赫兹温度调谐的太赫兹 Metamaterial由前面的分析我们知道，电控和光控 Metamaterial 太赫兹调制器都是通过外加电压或光激励等外界条件调节开口处的载流子浓度，进而调节金属开口谐

38、振环共振强度的起作用的开口谐振环的基膜振荡可以等效成LC 振荡回路结构，LC 振荡回路的共振频率，其中 L 是回路01LC的等效电感，C 是开口处的电容值而开口电容正比于电介质的介Metamaterial 太赫兹调制器及相关研究23电系数，而，因此共振频率正比于如果可以找到一种折射率2n1n随温度变化灵敏的材料做基底，通过调节温度也可实现对 Metamaterial 共振频率的调节 2010 年 HTChen 等基于这一思想提出了一种温度控制的太赫兹 Metamaterial，该器件将 200 nm 厚的金结构亚波长谐振环刻蚀在 533厚的钛酸锶（strontium titanate，SrTi

39、O3，STO）单晶上，而mSTO 的折射率随温度变化很大实验样品的几何结构及参数如图 18 所示， 图 19 为温度分别为 409 K，295 K，200 K 和 150 K 时太赫兹波的透射频谱曲线从图中可以看出，409 K 共振频率为 2.25 THz ，当温度将到150 K 时，共振频率下降到了 1.125 THz共振频率随率随温度变化移动很大通过调节温度，在共振强度基本保持不变的情况下，可以实现对太赫兹波透射频率的选择山东科技大学学士学位论文24不同温度下 STO 的折射率随温度的变化曲线和共振频率和 STO 折射率的倒数随温度的变化曲线如图 20 所示由图 20（a）中结果可以看出不

40、同温度下 STO 的折射率随频率基本不变，因此该材料在很宽的频率范围内具有很好温度特性由图 20（b）可以看出共振频率和折射率的倒数随温度的变化曲线基本一致，这正符合与前面的分析1n2.4 太赫兹空间光调制器太赫兹空间光调制器空间光调制器（spatial light modulator，SLM）可以通过利用光学或电Metamaterial 太赫兹调制器及相关研究25学方法控制光波的空间透射或反射特性，对波前进行信息编码或改变其传输方向，是光学加工、光互连、图像显示和光束实时调控等许多光学系统和光电系统的重要组成单元如果将空间光调制技术拓展到太赫兹波段，将会极大地推动太赫兹成像和太赫兹通信的进一

41、步发展太赫兹空间光调制器也是一种重要的太赫兹功能器件比如，在太赫兹成像系统中，高速的太赫兹空间调制器对将随机空间图案快速编码到太赫兹波波前上至关重要要制造太赫兹空间光调制器必须有可以独立控制太赫兹波的微小太赫兹装置阵列，每个太赫兹装置在各自的空间位置独立调控太赫兹波的传输由于缺少在太赫兹波段产生所需响应的材料或者没有与太赫兹波长相匹配的微机械，传统的用于制造光学波段空间调制器的技术，如液晶，磁光效应，可变形镜面等很难应用到太赫兹波段而基于量子阱结构的太赫兹调制器需要低温冷却或调制深度较差2009 年，Wai Lam Chan 等制成了一种基于电控 Metamaterial 的太赫兹空间调制器如

42、图 21 所示，实验时用的装置是的的像素阵列该4 4太赫兹空间光调制器中每个像素单元尺寸为，其中包含 2500 个24 4mmMetamaterial 开口环金属谐振器单个开口环金属谐振器的调制机理与前面介绍的电控 Metamaterial 太赫兹调制器相同，外加的偏压可以控制开口附近衬底中的载流子密度，进而调谐共振强度图 21 （a）为单个像素单元的结构示意图图 21 （b）为单个谐振环开口处耗尽层及衬底的图像，灰度代表载流子浓度图 21 （c）为像素阵列的太赫兹空间光调制器4 4结构示意图，每个像素由独立的外加偏压的调控山东科技大学学士学位论文26该装置在室温时，16V 的低压下即可达到大

43、约 3dB 的调制深度，而且调制速率可以高达兆量级这种 Metamaterial 设计可以灵活调节，通过改变共振单元的几何形状和尺寸即可调节其共振频率实验时用样品的金属开口谐振环是厚 200 nm，宽 4的金膜，开口m缝隙为 2，外部尺寸为 66，排列周期为 76，外加 14V 的偏mmm压Metamaterial 太赫兹调制器及相关研究27结果如图 22 所示， （a）中红色虚线和蓝色实线分别为未加偏压和加上 14V 的偏压时的透射系数随频率的变化曲线有图可知该装置的工作频率为 0.36 THz （b）为在 0.36 THz 处的透射图像其中，两个像素由于外加偏压而呈黑色（处于关闭状态） ，

44、其余的像素因未加偏压而处于打开状态显白色 为了测试该太赫兹空间光调制器的动态开闭能力，作者通过对特定像素的调制，设计了两种不同的宽度的双缝衍射实验如图 23 所示，白色的像素单元用在 0 到 14V 之间变化的 3KHz 的方波电压驱动，灰色部分未加偏压用 0.36 THz 的太赫兹波照明该装置，然后用透镜将透射波聚焦，并用太赫兹探测器测量焦平面上的太赫兹强度 图 23 （a）中的双缝间隔 a=8mm，图 13 （b）中的双缝间隔 a=12mm，两图中缝宽相同b=4mm图中蓝色实线为实验测量的结果，红色虚线为根据双缝衍射理论的模拟结果，两者符合的很好，这说明该太赫兹空间光调制器能够很好的调制太

45、赫兹的空间传输特性作者还测量了不同像素之间的串号情况，结果表明，不同像素之间的串号很弱可以忽略山东科技大学学士学位论文28第三章第三章 太赫兹太赫兹 Metamaterial 的其他研究的其他研究3.1 太赫兹太赫兹 Metamaterial 的偏振特性的偏振特性前面提到的太赫兹 Metamaterial 都对入射的太赫兹波的偏振态由特定的要求2009 年，Xomalin GPeralta 等设计了一种新型结构的太赫兹Metamaterial，这种结构既可以制成对偏振灵敏的太赫兹器件，也可以制成无偏振特性的太赫兹器件其结构如图 24 所示，图（a）是具有各向同性的圆形开口谐振环（circula

46、r split ring resonator ，CSRR)；（b）为各向异性的椭圆形开口谐振环（elliptical split ring resonator ，ESRR)它们的几何结构参数如图上所示，其中开口环由 2000的金制成，基底是 550厚的 GaAs，在基底和金属之间有 100厚A omA o的钛层Metamaterial 太赫兹调制器及相关研究29电场方向与水平轴线方向成不同夹角时，透射振幅和相位随频率的变化曲线如图 25 所示对于 CSRR 结构，不同夹角时的曲线相互重合，这意味着，CSRR 结构的电磁响应特性与入射波的偏振特性无关对于ESRR 结构，由图可以看出，其共振频率会

47、随入射角的不同而移动入射角为时，共振频率在 0.69 THz 和 1.64 THz 处，而当夹角变化到时，o0o90共振频率移动到了 0.59 THz 和 1.39 THz 处进一步的研究发现在 1.06 THz 处电场水平（）和竖直（）偏振入射两种情况下，透射振幅的o0o90振幅的改变不到 5%，而相位改变却大约为，这就意味着通过适当的设o45计可以用该材料制作太赫兹波片，比如利用双层结构就可能制成四分山东科技大学学士学位论文30之一波片四分之一波片实验结果如图 26 所示，在 GaAs 衬底的两侧建造完全相同的 ESSR 结构，通过不断调节参数，在 0.865 THz，使得两种偏振态的透射

48、率实现了相等，都等于 0.89，而相位差却等于 o903.2 Metamaterial 的互补特性的互补特性我们知道在光的衍射理论中有巴比涅原理，两个互补衍射屏的衍射场具有互补的复振幅分布2007 年，HTChen 等的实验表明太赫兹Metamaterial 也具有类似于巴比涅原理的效应：具有互补结构的平面太赫兹 Metamaterial 的透射系数互补其实验用的 Metamaterial 图样及实验结果如下图 27 所示，图中 OE 和 CE 分别代表原始结构的 Metamaterial 和它所对应的互补结构 Metamaterial从图中可以看出，这两种结构的Metamaterial 的透

49、射谱线具有互补特性 ，即( )( )1OECEttMetamaterial 太赫兹调制器及相关研究313.3 手性太赫兹手性太赫兹 Metamaterial 由于具有负折射率的 Metamaterial 所具有独特的特性和现象，使得其在超棱镜、亚波长结构谐振腔和慢光速装置等方面有着重要应用前景自从首次在微波波段实现负折射率以后，各种不同结构和工作波段的负折射率Metamaterial 相继出现但前面提到的 Metamaterial 器件所作用太赫兹波都是线偏振的2009 年，Shuang Zhang 等首次利用材料的手性特征实现了太赫兹波段的负折射手性 Metamaterial对于任何平面都不

50、具有镜面对称性的材料称为具有手性，从电磁响应的角度来说，手性可以用具有相同方向的电偶极子和磁偶极子的交叉耦合来描述材料的手性可以使其一圆偏振态光波的折射率的增大，而另一圆偏振态光波的折射率减小，从而导致两个圆偏振态光波的分离而且这还将导致一些常规负折射率材料所不具有的现象，比如当电磁波入射到嵌在这种介质的镜面上时会出现负反射现象；当两种圆偏振折射率大小相等、符号相反的特殊情况下，一列包含相等振幅的两种圆偏振的电磁波入射的这种材料上时，将会按完全相同的方向反射回来这种现象与相位共轭镜面的效果相似，但却不是非线性的该手性 Metamaterial 也是由金膜制成，如图 28 所示， （a）是单个共

51、振单元结构图，几何尺寸参数如下：L=20 m，h=4.5，r=1.6，w=4.4，g=2.3顶部和底部的金带厚度分mmmm别为 0.3和 0.6，所成角度 （b）是该手性材料所对应的mm26.35o等效 LC 共振回路模型平行于开口的电场或垂直于开口的磁场都可以在金属回路中激发振荡电流，振荡电流反过来又激发电磁场因此，这种结构又可以认为是电偶极子和磁偶极子的组合结构和分别是对应的磁mp 偶极子和电偶极子，其中与电容同向，与电感同向，它们之间夹角也p m山东科技大学学士学位论文32为由于电偶极子和磁偶极子都是由同一共振结构等效而来，因此，当一种共振发生时必然会激发另一种类型的共振而且由于电偶极子

52、和磁偶极子之间的夹角不大，因此通过适当的设计其几何尺寸，就可能使其显示出很强的手性特征，从而对圆偏振电磁波表现出负折射率 （c） 、 （d）两图是该手性材料的 SEM 图像每个单元的大小为 40，排列间距为 20mmMetamaterial 太赫兹调制器及相关研究33 在进行传输测量时，该样品被放置在发射器和探测器之间的太赫兹波束腰处，样品前后分别放置、两个偏振器，如图 29（a）所示，1P2P、分别表示和的透射率图 29（b） 、 （c）为透射率 、1t2t12/ /PP12PP1t和反射率 r 的模和相位随频率的变化曲线 从图中可以看出，在 1THz2t的共振频率处， 达到最大值，达到最小

53、值，与之对应的相位的也急剧1t2t变化反射率在 0.2 THz 到 2 THz 波段范围内，始终保持在 0.6 左右，却没有明显的变化，反射波相位改变约等于，类似于光波从光疏介质入射到光密介质时的相位变化情况左旋圆偏振和右旋圆偏振太赫兹波的透射率和分别满足： , LtRt12Lttit12Rttit由上式可以得到左旋圆偏振和右旋圆偏振太赫兹波的透射率的振幅和相位随频率的变化曲线，分别如图 29（d） 、 （e）所示从图中可知，在共振频山东科技大学学士学位论文34率处，左旋圆偏振光的透射振幅接近为零（小于 0.06） ，这就意味着，一束线偏振太赫兹波透过该设备后将变为右旋的太赫兹波3.4 法诺共

54、振太赫兹法诺共振太赫兹 Metamaterial 前面提到的平面 Metamaterial 由于具有很薄的光学结构，没有内部足够的共振体积用于高能量的振荡，因而难以实现很高的品质因数而且由于它们都具有对称性的结构，因而共振曲线成了洛伦兹线型谐振器的品质因数 Q 一般定义为一次循环后损耗掉的能量与储存的能量的比值因为Metamaterial 的辐射损耗会随着其尺寸的减小而增加，在太赫兹和光学波段一般很难实现很高的品质因数2011 年，Ranjan Singh 等用一种对称性受到微弱破坏的双开口谐振环平面太赫兹 Metamaterial，实现了非常尖锐的法诺共振，这种非对称的法诺共振可以实现很高的

55、品质因数 实验样品如图 30 所示，这种平面的 Metamaterial 样品利用光刻技术将200nm 的铝刻在 N 型硅衬底上，几何结构参数如图中标示 （a）是具有完美对称性开口谐振环（SSR） ，其上下弧臂完全相同，张角的大小都是 （b）是对称性遭到的开口环（ASRs） ，上下臂的张角分别为160o和用表示对称性破缺程度，其中表示上臂170o150o()()张角，表示下臂张角下图中样品的尺寸为，210 10mm6.25%实验结果如图 31 所示，图（a） 、 （b）分别为电场平行于开口方向时，透射振幅随频率变化的实验结果和 CST Microwave Studio的模拟结果对称性的开口谐振

56、环（SSR）只在 1.18 THz 处形成一个对称性宽共振，非对称的开口谐振环（ASR）除了形成一个和 SSR 相同的共振外，还在 0.86 THz处形成了一个额外的非对称性尖共振在 086 THz 处实验曲线的线宽为50.3 GHz，不如模拟的 35 GHz，这是由于测量的时间窗口有限造成的而Metamaterial 太赫兹调制器及相关研究35对于电场垂直以开口的情况，如图（c） 、 （d）所示，却不能形成额外的共振因此，这种法诺共振对激发电场的偏振特性非常灵敏这种法诺振荡Metamaterial 可以应用到许多方面，它能够将电磁场集中到很小的空间中，这对研究太赫兹波与物质的相互作用非常重要

57、在共振频率处强烈的内部振荡耦合，可以制造的亚波长太赫兹发射器和天线山东科技大学学士学位论文363.5 高温超导太赫兹高温超导太赫兹 Metamaterial大部分现有的 Metamaterial 都是通过将金属结构建造在半导体衬底上制成的当其应用到太赫兹、红外、可见光等较高的频段时，金属中的焦耳损耗，会抑制环形电流的形成，这将大大影响其实用效果由于高温超导材料（High transition temperature superconductors，HTSs）在其临界温度以下具有零电阻特性，因此，人们开始探索用高温超导材料代替Metamaterial 中的普通金属结构来制造新型的高温超导型 Me

58、tamaterial高温超导型 Metamaterial 也是首先在微波波段得到实现2010 年，Jianqiang Gu 等在太赫兹波段也实现了高温超导型的 Metamaterial他们的实验样品是通过将铝钡铜氧（yttrium barium copper oxide ，YBCO）刻在蓝宝石衬底而制成铝钡铜氧的转变温度实验时在太赫兹时域光谱系统加86cTK入液氦，以便对样品进行冷却，使其由常态逐渐过渡到超导态实验样品图样及结构参数如上图所示，铝钡铜氧开口谐振环的厚度为280 nm，线宽，开口宽度，大小，排列周期8Wm5Gm32Lm实验时，太赫兹波垂直入射到样品上，光斑的束腰直径为52Pm2m

59、m，大约能覆盖 1200 个谐振环电场方向与开口垂直，以便能够激发LC 共振和四偶极子共振 Metamaterial 太赫兹调制器及相关研究37实验结果如图 33 所示，由图可以看出，当温度低于转变温度时，比如在 51.4 K 和 27.4 K 该材料开始显示出强烈的太赫兹开关特性但是由于 YBCO 的掺杂种类，生长条件，优化过程等对质量影响很大，因此由于各种缺陷的原因使其还不能达到理想效果第四章第四章 总结与展望总结与展望Metamaterial 因其新奇的结构和独特的电磁响应特性，很快就引起了人们的广泛关注，各种基于 Metamaterial 太赫兹功能器件，如滤波器、调制器、吸收器、开关

60、及传感器等相继被提出来然而，人们对太赫兹Metamaterial 及其器件的研究还处于实验探索阶段，离实际应用还有大量的问题和困难需要去解决和克服现在的 Metamaterial 都是二维的平面结构，如何制作三维太赫兹 Metamaterial 将是未来面临的一个重要挑战此外，Metamaterial 的特性和新型的太赫兹 Metamaterial 还有待进一步探索比如最近提出的高温超导型的太赫兹 Metamaterial 的具体特性和温控太赫兹 Metamaterial 的具体特性还有待进一步研究但是可以肯定，太赫兹 Metamaterial 的进一步发展必将加快太赫兹科学和技术的进展而且通过优化