太赫兹微结构功能器件

太赫兹波是指频率在0.1~10THz的电磁辐射。过去由于缺乏太赫兹波产生及探测的有效技术手段,该频段成为电磁波谱中没有开发利用的一段空白。自20世纪80年代中期利用超快光电子技术成功地产生和探测太赫兹波以来,太赫兹波独特的性质被发现并显示出巨大的应用前景,逐步成为科学、经济和国家安全方面非常具有应用前景且十分活跃的研究领域,特别是在宽带无线通信、生物医学成像、材料的无损检测、高分辨雷达和安全检查等方面的应用研究受到了广泛关注。可以说太赫兹技术科学不仅是科学技术发展中的重要基础问题,而且是国家新一代信息产业、国家安全和基础科学发展的重大需求,对国民经济及国防建设具有重要的意义。太赫兹技术的广泛应用离不开满足不同应用领域要求的实用化功能器件的支撑,包括低损耗波导、开关、调制/解调器、滤波器、耦合器、偏振控制器、传感器以及非互易单向传输隔离器等。由于自然界中缺乏对太赫兹波强电磁响应的自然材料,因此,利用人工电磁材料的强谐振与场局域效应以实现太赫兹波振幅、相位、频率和偏振的高效调控是获取高性能器件的有效途径和方法。本书从理论和实验两个方面对太赫兹波段常用功能材料的光学性质和亚波长微结构功能器件的谐振及传输特性进行了详细的介绍。在功能材料方面,主要介绍了液晶双折射材料、二氧化钒相变材料、石墨烯、二硫化钼和碳纳米管等二维纳米材料、磁光材料。在人工微结构电磁材料方面,介绍了亚波长介质光栅、光子晶体、表面等离子体、超材料、超表面等。按照实现的功能划分,主要介绍了太赫兹调制器、偏振控制器、相移器、传感器、单向传输的环形器和隔离器、定向发射器等。本书共分为9章,1章在简单介绍太赫兹技术发展现状的基础上,对太赫兹功能器件的研究进展进行了重点介绍。第2章介绍了常用的金属和介质材料在太赫兹波段的性质及理论计算模型,同时详细介绍了光子晶体、表面等离子体、亚波长介质光栅、超材料和超表面等人工电磁材料的性质、特点及理论模型。第3章介绍了太赫兹微结构器件的数值仿真计算方法以及太赫兹时域光谱系统的工作原理、特点和数据处理方法。第4章至第6章分别介绍了太赫兹调制器件、偏振控制器件、传感器件的新研究成果。第7章是具有鲜明特色的一章,主要介绍我们课题组在单向传输环形器、隔离器和偏振转换器件方面的研究成果。第8章和第9章聚焦于太赫兹主动调控器件的研究进展。我们感谢所有曾经在一起工作和正在一起工作的合作者,书中大量引用了他们的工作,包括在课题组工作和已经毕业的学生:杨磊、陈赛、许士通、冀允允、李吉宁、陈猛等。太赫兹的基础和应用研究日新月异,新方法、新技术不断涌现,由于编著者水平有限,书中难免会有疏漏之处,恳请各位读者批评指正。

本书从理论和实验两个方面对太赫兹波段常用功能材料的光学性质和亚波长微结构功能器件的谐振及传输特性进行了详细的介绍。在功能材料方面,主要介绍了液晶双折射材料、二氧化钒相变材料、石墨烯、二硫化钼和碳纳米管等二维纳米材料、磁光材料。在人工微结构电磁材料方面,介绍了亚波长介质光栅、光子晶体、表面等离子体、超材料、超表面等。按照实现的功能划分,主要介绍了太赫兹调制器、偏振控制器、相移器、传感器、单向传输的环形器和隔离器、定向发射器等。本书适用于从事太赫兹功能材料、太赫兹微结构功能器件等研究领域的工程技术人员,以及科研院所和大中专高校相关专业的学生和科研人员。

常胜江，男，博士，南开大学电子信息与光学工程学院教授、博士生导师，现代光学研究所副所长。《数据采集与处理》、《光电子激光》学报编委，中国光学学会会员，中国仪器仪表学会高级会员，高等学校光电信息科学与工程专业教学指导分委员会协作委员。范飞，常胜江，男，博士，南开大学电子信息与光学工程学院副教授，硕士生导师。近年来，已在光电子学主流学术期刊上发表论文80余篇，其中作者或通讯作者被SCI/EI收录50篇，H因子17，二区以上高水平论文25篇，以发明人授权国家发明专利6项，主持和参与科技部973、863、自然科学基金等国家和省部级科研项目8项。主要研究方向为太赫兹微纳光子器件及新颖电磁材料。

1 太赫兹技术及其功能器件概述001
1.1 太赫兹技术概述003
1.1.1 THz波的特性003
1.1.2 THz技术的应用005
1.1.3 THz源与探测技术的发展006
1.2 THz微结构功能器件概述009
1.2.1 关键THz功能器件研究进展009
1.2.2 THz微结构功能器件的主动调控018
参考文献018
2 太赫兹人工微结构与功能材料基础021
2.1 常见THz材料的性质023
2.1.1 材料在THz波段的介电模型023
2.1.2 常见金属在THz波段的性质024
2.1.3 常见介质材料在THz波段的性质025
2.2 THz微结构功能器件的理论基础026
2.2.1 THz光子器件的电磁理论基础026
2.2.2 THz光子晶体028
2.2.3 THz表面等离子体031
2.2.4 THz亚波长介质光栅035
2.2.5 THz超材料039
参考文献043
3 太赫兹光子器件的仿真与实验表征基础045
3.1 数值仿真方法047
3.1.1 时域有限差分法047
3.1.2 有限元法050
3.1.3 平面波展开法050
3.2 太赫兹时域光谱技术051
3.2.1 太赫兹时域光谱系统的基本结构052
3.2.2 太赫兹时域光谱测量原理053
3.2.3 太赫兹时域光谱系统的衍生系统055
参考文献060
4 太赫兹调制器件061
4.1 THz相变光子晶体调制器063
4.1.1 VO2相变及其在THz波段的性质063
4.1.2 THz相变光子晶体波导的结构与能带特性064
4.1.3 THz相变光子晶体波导的传输与调控特性066
4.1.4 THz光子晶体的加工069
4.1.5 光控THz相变光子晶体的实验研究072
4.2 THz表面等离子体波导调制器076
4.2.1 金属半导体表面等离子体波导调制器076
4.2.2 半导体InSb在THz波段的性质077
4.2.3 器件的结构和模式特征077
4.2.4 器件的调制特性079
4.3 电控双肖特基栅阵THz调制器081
4.3.1 器件的结构与加工082
4.3.2 器件的电子学特性083
4.3.3 器件的传输和调制实验085
4.3.4 数值模拟与理论分析088
4.4 基于二硫化钼纳米晶的THz超灵敏调制器091
4.4.1 硅基二硫化钼纳米晶的制备和THz波段的光学特性093
4.4.2 超灵敏的光泵浦调制094
4.4.3 光泵浦调制的机理分析与理论拟合095
4.4.4 二硫化钼纳米晶的调制增强效应099
参考文献100
5 太赫兹偏振控制器件103
5.1 梯度光栅THz人工高双折射及其相移器件105
5.1.1 梯度光栅器件的结构与双折射实验106
5.1.2 基于梯度光栅结构的半波片实验113
5.2 基于介质金属复合光栅的THz宽带偏振转换器件116
5.2.1 亚波长金属线栅的偏光特性117
5.2.2 复合光栅的偏振转换与单向传输特性118
5.3 介质“H”超表面偏振模式变换器122
5.3.1 器件结构123
5.3.2 介质光栅的双折射特性及“H”超材料的偏振依赖特性123
5.3.3 介质“H”超表面的偏振模式变换特性125
5.4 基于碳纳米管的THz偏振调控器件128
5.4.1 碳纳米管简介128
5.4.2 CNT薄膜的THz偏振特性实验研究130
5.4.3 器件的结构与工作原理132
5.4.4 器件的实验测试132
5.5 基于碳纳米管柔性基底的THz主动偏振调控器件139
5.5.1 样品的制备流程139
5.5.2 实验测试140
5.5.3 理论模型145
5.5.4 偏振成像实验147
参考文献148
6 太赫兹传感器件151
6.1 THz光子晶体的导模谐振效应153
6.1.1 实验结果与理论分析153
6.1.2 入射角度的影响157
6.2 基于THz光子晶体的微流体传感158
6.2.1 微流体的定性检测实验158
6.2.2 微流体的定量传感实验159
6.3 微结构PMMA波导管的THz波传输及传感研究161
6.3.1 波导管微结构制备与THz实验系统162
6.3.2 微结构波导管谐振特性的研究164
6.3.3 微结构波导管偏振特性的分析166
6.3.4 微结构波导管微量液体传感实验167
6.4 THz超材料薄膜传感器的研究170
6.4.1 THz超材料薄膜传感器的加工制备与理论分析170
6.4.2 器件传输性能的测试和分析172
6.4.3 PVA材料在THz波段的性质174
6.4.4 器件的传感性能及分析174
6.5 机械可调谐太赫兹超材料及其应变传感178
6.5.1 柔软基底材料在超材料上的应用178
6.5.2 单轴机械可调谐太赫兹超材料179
6.5.3 样品的加工与实验结果183
6.5.4 双轴机械可调谐太赫兹超材料188
参考文献191
7 太赫兹磁光器件193
7.1 THz磁光材料与磁光效应概述197
7.1.1 铁氧体材料在THz波段的旋磁性质197
7.1.2 外磁场下半导体在THz波段的旋电性质199
7.1.3 太赫兹波的横向磁光效应201
7.1.4 太赫兹波的纵向磁光效应202
7.2 磁硅光子晶体微腔THz环形器206
7.2.1 磁硅光子晶体微腔的结构设计206
7.2.2 磁硅光子晶体微腔的模式分析208
7.2.3 THz磁硅光子晶体环形器的非互易传输与调控210
7.3 磁控THz磁流体光子晶体及其传感应用212
7.3.1 磁流体的光学特性212
7.3.2 磁流体的磁光特性215
7.3.3 磁流体填充THz光子晶体的实验与分析219
7.4 金属磁光表面等离子体THz隔离器224
7.4.1 金属磁光表面等离子体波导的色散和模式特征分析225
7.4.2 金属磁光表面等离子体波导的非互易传输与调控227
7.4.3 金属磁光表面等离子体透镜的色散特性230
7.4.4 金属磁光表面等离子体透镜的非互易传输与调控233
7.5 THz磁光超表面隔离器237
7.5.1 器件的非互易传输特性与产生机制238
7.5.2 器件的可调节性240
7.5.3 柱型磁光超表面结构的太赫兹隔离器及磁场传感器242
7.5.4 外磁场强度传感245
7.6 THz法拉第磁光偏振转换器246
7.6.1 双层磁等离子体的结构与工作原理247
7.6.2 器件的传输特性248
7.6.3 器件的工作机理与结构优化250
参考文献253
8 太赫兹液晶可调控器件255
8.1 太赫兹波段液晶简介257
8.1.1 液晶的分类与性质257
8.1.2 THz波段液晶材料的研究现状259
8.2 随机分布液晶层在THz波段的光学特性261
8.2.1 实验材料与测试系统262
8.2.2 实验结果与分析263
8.2.3 液晶在THz波段的磁致双折射263
8.2.4 可调控THz相位延迟器266
8.2.5 液晶BNHR的动态响应267
8.3 基于双频液晶的电控太赫兹波片269
8.3.1 样品的制作和测试方法269
8.3.2 无外加电场时双频液晶的太赫兹光学性质271
8.3.3 外加电场下双频液晶光学各向异性272
8.4 电控太赫兹EIT与EIA超材料器件的研究277
8.4.1 液晶超材料的制备277
8.4.2 液晶E7在THz波段的电场驱动特性278
8.4.3 液晶超材料在THz波段的EIT和EIA效应281
8.4.4 电场调控器件EIA效应的实验结果及原理分析285
8.5 THz人工高双折射及其相移器的研究287
8.5.1 栅格复合介质超表面结构的EIT效应和人工高双折射效应287
8.5.2 基于栅格复合介质超表面结构的液晶相移器研究291
参考文献294
9 太赫兹石墨烯主动调控器件297
9.1 石墨烯在THz波段的电磁性质299
9.1.1 石墨烯的能带结构与电导率299
9.1.2 石墨烯的制备301
9.2 基于石墨烯的THz定向发射器302
9.2.1 器件的结构及THz波段石墨烯的电控性质303
9.2.2 器件性能模拟与结果分析305
9.3 基于石墨烯等离子体阵列结构的THz放大器308
9.3.1 器件的研究背景及其结构308
9.3.2 石墨烯的负电导率性质310
9.3.3 器件的物理机理311
9.3.4 器件的可调谐性及其优化313
9.4 基于石墨烯和液晶的宽带可调谐四分之一波片317
9.4.1 基于电控石墨烯光栅的窄带QWP 318
9.4.2 基于电控液晶石墨烯光栅的宽带可调谐QWP 322
参考文献326
索引329
1 太赫兹技术及其功能器件概述001
1.1 太赫兹技术概述003
1.1.1 THz波的特性003
1.1.2 THz技术的应用005
1.1.3 THz源与探测技术的发展006
1.2 THz微结构功能器件概述009
1.2.1 关键THz功能器件研究进展009
1.2.2 THz微结构功能器件的主动调控018
参考文献018
2 太赫兹人工微结构与功能材料基础021
2.1 常见THz材料的性质023
2.1.1 材料在THz波段的介电模型023
2.1.2 常见金属在THz波段的性质024
2.1.3 常见介质材料在THz波段的性质025
2.2 THz微结构功能器件的理论基础026
2.2.1 THz光子器件的电磁理论基础026
2.2.2 THz光子晶体028
2.2.3 THz表面等离子体031
2.2.4 THz亚波长介质光栅035
2.2.5 THz超材料039
参考文献043
3 太赫兹光子器件的仿真与实验表征基础045
3.1 数值仿真方法047
3.1.1 时域有限差分法047
3.1.2 有限元法050
3.1.3 平面波展开法050
3.2 太赫兹时域光谱技术051
3.2.1 太赫兹时域光谱系统的基本结构052
3.2.2 太赫兹时域光谱测量原理053
3.2.3 太赫兹时域光谱系统的衍生系统055
参考文献060
4 太赫兹调制器件061
4.1 THz相变光子晶体调制器063
4.1.1 VO2相变及其在THz波段的性质063
4.1.2 THz相变光子晶体波导的结构与能带特性064
4.1.3 THz相变光子晶体波导的传输与调控特性066
4.1.4 THz光子晶体的加工069
4.1.5 光控THz相变光子晶体的实验研究072
4.2 THz表面等离子体波导调制器076
4.2.1 金属半导体表面等离子体波导调制器076
4.2.2 半导体InSb在THz波段的性质077
4.2.3 器件的结构和模式特征077
4.2.4 器件的调制特性079
4.3 电控双肖特基栅阵THz调制器081
4.3.1 器件的结构与加工082
4.3.2 器件的电子学特性083
4.3.3 器件的传输和调制实验085
4.3.4 数值模拟与理论分析088
4.4 基于二硫化钼纳米晶的THz超灵敏调制器091
4.4.1 硅基二硫化钼纳米晶的制备和THz波段的光学特性093
4.4.2 超灵敏的光泵浦调制094
4.4.3 光泵浦调制的机理分析与理论拟合095
4.4.4 二硫化钼纳米晶的调制增强效应099
参考文献100
5 太赫兹偏振控制器件103
5.1 梯度光栅THz人工高双折射及其相移器件105
5.1.1 梯度光栅器件的结构与双折射实验106
5.1.2 基于梯度光栅结构的半波片实验113
5.2 基于介质金属复合光栅的THz宽带偏振转换器件116
5.2.1 亚波长金属线栅的偏光特性117
5.2.2 复合光栅的偏振转换与单向传输特性118
5.3 介质“H”超表面偏振模式变换器122
5.3.1 器件结构123
5.3.2 介质光栅的双折射特性及“H”超材料的偏振依赖特性123
5.3.3 介质“H”超表面的偏振模式变换特性125
5.4 基于碳纳米管的THz偏振调控器件128
5.4.1 碳纳米管简介128
5.4.2 CNT薄膜的THz偏振特性实验研究130
5.4.3 器件的结构与工作原理132
5.4.4 器件的实验测试132
5.5 基于碳纳米管柔性基底的THz主动偏振调控器件139
5.5.1 样品的制备流程139
5.5.2 实验测试140
5.5.3 理论模型145
5.5.4 偏振成像实验147
参考文献148
6 太赫兹传感器件151
6.1 THz光子晶体的导模谐振效应153
6.1.1 实验结果与理论分析153
6.1.2 入射角度的影响157
6.2 基于THz光子晶体的微流体传感158
6.2.1 微流体的定性检测实验158
6.2.2 微流体的定量传感实验159
6.3 微结构PMMA波导管的THz波传输及传感研究161
6.3.1 波导管微结构制备与THz实验系统162
6.3.2 微结构波导管谐振特性的研究164
6.3.3 微结构波导管偏振特性的分析166
6.3.4 微结构波导管微量液体传感实验167
6.4 THz超材料薄膜传感器的研究170
6.4.1 THz超材料薄膜传感器的加工制备与理论分析170
6.4.2 器件传输性能的测试和分析172
6.4.3 PVA材料在THz波段的性质174
6.4.4 器件的传感性能及分析174
6.5 机械可调谐太赫兹超材料及其应变传感178
6.5.1 柔软基底材料在超材料上的应用178
6.5.2 单轴机械可调谐太赫兹超材料179
6.5.3 样品的加工与实验结果183
6.5.4 双轴机械可调谐太赫兹超材料188
参考文献191
7 太赫兹磁光器件193
7.1 THz磁光材料与磁光效应概述197
7.1.1 铁氧体材料在THz波段的旋磁性质197
7.1.2 外磁场下半导体在THz波段的旋电性质199
7.1.3 太赫兹波的横向磁光效应201
7.1.4 太赫兹波的纵向磁光效应202
7.2 磁硅光子晶体微腔THz环形器206
7.2.1 磁硅光子晶体微腔的结构设计206
7.2.2 磁硅光子晶体微腔的模式分析208
7.2.3 THz磁硅光子晶体环形器的非互易传输与调控210
7.3 磁控THz磁流体光子晶体及其传感应用212
7.3.1 磁流体的光学特性212
7.3.2 磁流体的磁光特性215
7.3.3 磁流体填充THz光子晶体的实验与分析219
7.4 金属磁光表面等离子体THz隔离器224
7.4.1 金属磁光表面等离子体波导的色散和模式特征分析225
7.4.2 金属磁光表面等离子体波导的非互易传输与调控227
7.4.3 金属磁光表面等离子体透镜的色散特性230
7.4.4 金属磁光表面等离子体透镜的非互易传输与调控233
7.5 THz磁光超表面隔离器237
7.5.1 器件的非互易传输特性与产生机制238
7.5.2 器件的可调节性240
7.5.3 柱型磁光超表面结构的太赫兹隔离器及磁场传感器242
7.5.4 外磁场强度传感245
7.6 THz法拉第磁光偏振转换器246
7.6.1 双层磁等离子体的结构与工作原理247
7.6.2 器件的传输特性248
7.6.3 器件的工作机理与结构优化250
参考文献253
8 太赫兹液晶可调控器件255
8.1 太赫兹波段液晶简介257
8.1.1 液晶的分类与性质257
8.1.2 THz波段液晶材料的研究现状259
8.2 随机分布液晶层在THz波段的光学特性261
8.2.1 实验材料与测试系统262
8.2.2 实验结果与分析263
8.2.3 液晶在THz波段的磁致双折射263
8.2.4 可调控THz相位延迟器266
8.2.5 液晶BNHR的动态响应267
8.3 基于双频液晶的电控太赫兹波片269
8.3.1 样品的制作和测试方法269
8.3.2 无外加电场时双频液晶的太赫兹光学性质271
8.3.3 外加电场下双频液晶光学各向异性272
8.4 电控太赫兹EIT与EIA超材料器件的研究277
8.4.1 液晶超材料的制备277
8.4.2 液晶E7在THz波段的电场驱动特性278
8.4.3 液晶超材料在THz波段的EIT和EIA效应281
8.4.4 电场调控器件EIA效应的实验结果及原理分析285
8.5 THz人工高双折射及其相移器的研究287
8.5.1 栅格复合介质超表面结构的EIT效应和人工高双折射效应287
8.5.2 基于栅格复合介质超表面结构的液晶相移器研究291
参考文献294
9 太赫兹石墨烯主动调控器件297
9.1 石墨烯在THz波段的电磁性质299
9.1.1 石墨烯的能带结构与电导率299
9.1.2 石墨烯的制备301
9.2 基于石墨烯的THz定向发射器302
9.2.1 器件的结构及THz波段石墨烯的电控性质303
9.2.2 器件性能模拟与结果分析305
9.3 基于石墨烯等离子体阵列结构的THz放大器308
9.3.1 器件的研究背景及其结构308
9.3.2 石墨烯的负电导率性质310
9.3.3 器件的物理机理311
9.3.