太赫兹波段金属双柱异向介质的液晶调控

论文摘要

异向介质作为一种新型电磁材料以其独特的电磁特性,如负折射、完美成像、逆Doppler效应、反常Cherenkov效应等引起当今电磁学界众多研究者的强烈兴趣。异向介质为新型电磁（光学）结构设计提供了巨大的机遇和可能性。微波、太赫兹、红外甚至可见光波段不同结构异向介质的设计、异常电磁响应特性及其应用成为当前电磁学、光学和材料科学研究的前沿热点领域。太赫兹（0.1～10THz）波是指介于微波与红外之间的电磁波,在国家安全、材料科学和物理、化学、生物医学等领域具有重要的应用。但长期以来,由于缺乏有效的太赫兹波产生、检测和相关技术,人们对于该波段电磁辐射性质的了解非常有限,以至于该波段被称为电磁波谱中的THz空隙,也是电磁波谱中有待进行全面研究的最后一个频率窗口。和太赫兹波源以及太赫兹的探测技术相比,对太赫兹的调制和操控目前尚缺乏特别有效的手段。尽管异向介质可以实现对太赫兹波的调控,但对于一定结构和尺寸的异向介质,电磁（光）响应的频率和有效折射率是固定的,限制了其应用的频率范围和对电磁波的调控能力。因此,需要调节固定结构参数异向介质的响应频率,获得对太赫兹波较好的调控效果。在这种情况下,我们研究了液晶对液晶-金属双柱异向介质复合结构在太赫兹波段响应频率及传播方向的调控行为。金属双柱异向介质结构简单,容易制作,适用于较小的尺寸;液晶对外场很敏感、具有流动特性,可以很容易的进入各种尺寸的结构中;而大气窗口是未来器件制作应重点考虑的波段。因此,本文针对太赫兹的几个重要的大气窗口对金属双柱异向介质的电磁学响应特性进行研究,并通过模拟改变液晶的介电常数来研究液晶-金属双柱异向介质复合结构的响应行为。论文的工作主要涉及以下几个方面:1.在对金属双柱异向介质太赫兹频段的电磁响应特性进行研究的基础上,通过改变金属双柱异向介质的结构参数研究在太赫兹频段几何尺寸对电磁响应特性的影响。得到如下结论:（1）对结构参数为:金属柱横截面边长w=10μm,金属双柱间距d=10μm,金基板厚度b=5μm,金属柱长度l=75μm,晶格常数a=85μm的金属双柱异向介质结构进行仿真模拟。根据表面电流分析其响应机理及参数提取结果,表明该异向介质在0.825～0.92THz范围内实现负折射,并通过楔形棱镜进行实验验证。（2）通过改变金属双柱异向介质的几何参数,获得响应频率随结构参数的变化曲线。结果表明,响应频率随金属双柱间距、金属柱长度、金属柱横截面边长及晶格常数的增大而降低,随基板厚度的增大而升高;基板厚度对透过率基本没有影响,金属柱长度为74μm以及金属柱横截面边长为10μm时有透过率最大值。2.我们在金属双柱异向介质中填充液晶,通过改变液晶介电常数模拟外场对液晶的作用来仿真液晶调控金属双柱异向介质的情况,着重探索太赫兹波段大气窗口附近液晶对其响应频率的调谐和电磁波传播方向的调控能力。结果表明:（1）金属双柱异向介质结构参数为w=10μm,d=10μm,b=5μm,l=75μm,a=85μm时,当液晶的介电常数从2逐渐增大到4,液晶-金属双柱异向介质复合结构产生负折射的频率从0.648THz逐渐变化到0.413THz,包含了0.65THz和0.5THz附近两个大气窗口;通过改变液晶的介电常数,可以在该频段内任一频点实现负折射、零折射或正折射。（2）改变金属双柱异向介质的尺寸,使液晶调控后的响应频率分别包含0.225THz（负折射产生的频率0.157THz～0.256THz）和2.5THz（负折射产生的频率2.07THz～2.99THz）,通过改变液晶介电常数实现对这两个频点的出射电磁波方向的调控。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 引言
• 第一章 绪论
• 1.1 太赫兹概述
• 1.1.1 THz波
• 1.1.2 THz波的主要特征及其应用
• 1.1.3 THz波国内外发展状况
• 1.2 异向介质概述
• 1.2.1 平面电磁波在常规介质中的传播
• 1.2.2 电磁波在异向介质中的传播
• 1.2.3 异向介质的基本性质
• 1.2.4 异向介质的实现方法
• 1.2.5 异向介质的研究进展
• 1.3 本章小结
• 第二章 金属双柱异向介质的仿真研究
• 2.1 数值仿真的商业软件简介
• 2.2 模型及计算方法
• 2.3 金属双柱异向介质的负折射
• 2.4 结构参数对金属双柱异向介质响应频率的影响
• 2.5 负折射的楔形棱镜验证
• 2.6 本章小结
• 第三章 金属双柱异向介质的液晶调控
• 3.1 液晶概述
• 3.1.1 液晶
• 3.1.2 液晶的电场效应和磁场效应
• 3.1.3 液晶在异向介质上的应用
• 3.2 液晶对金属双柱异向介质的负折射率调控
• 3.2.1 液晶调控的参数提取
• 3.2.2 液晶调控负折射特性的仿真验证
• 3.3 本章小结
• 第四章 0.225THz与2.5THz金属双柱异向介质的液晶调控
• 4.1 0.225THz金属双柱异向介质的液晶调控
• 4.2 2.5THz金属双柱异向介质的液晶调控
• 4.3 本章小结
• 全文总结
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间所发表的论文
• 致谢