太赫兹声子极化激元与亚波长金属结构作用的数值模拟

摘要

太赫兹波段处于电子学与光子学的过渡区域，在物理基础研究和实际应用上有着广阔的前景，有效的太赫兹源和器件的缺乏，是制约太赫兹研究发展的重要方面。声子极化激元是元激发的一种，在实验中可以通过飞秒脉冲辐照铁电晶体，激发声子极化激元波，其中心频率在太赫兹波段，这也是常用的产生太赫兹波的方法之一。与此同时，越来越多的人使用亚波长金属结构与太赫兹波的互相作用，从而实现太赫兹波的调控及功能型器件。
　　本文将使用计算机软件模拟计算的方法，研究太赫兹声子极化激元在铌酸锂晶体中产生，以及其与晶体表面的金属亚波长结构之间的相互作用。模拟计算的特点及优势主要是以下三个方面：1、直观连续地模拟出太赫兹声子极化激元产生、传播与作用的过程；2、将声子参与考虑在计算条件中，以此修正材料设置；3、与大多数此领域的工作不同，本文模拟中在晶体内产生太赫兹声子极化激元，晶体表面的亚波长金属结构通过与电场倏逝场的作用，实现对太赫兹波的调控。
　　本文中使用Comsol软件的偏微分方程模块，直观地模拟了飞秒激光脉冲在铌酸锂晶体中激发太赫兹声子极化激元的过程。并且介绍了分别使用Comsol和FDTD软件时，计算方法和建模的具体设置。以此模拟方法，首先对金属天线棒及领结结构进行了模拟，得到了亚波长的局域效应以及电场的增强效应，通过计算结构参数对共振频率及增强倍数的影响，金属结构起到了光学天线的效果；之后通过对周期性天线阵列结构的模拟，得到此亚波长结构对频率和模式的调节，通过计算，实现调控的原因是天线阵列结构对于特定频率的反射。
　　综上所述，我们能够通过在铌酸锂晶体表面构造亚波长金属结构，在一体化的平台上实现太赫兹波的产生、传播、局域、调控。希望能够通过模拟计算方法更深入探究物理原理及设计创新结构。全文图49幅，表1个，参考文献80篇。

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第一章 引言

第一节 太赫兹技术背景介绍

第二节 太赫兹波与亚波长金属结构作用简介

第三节 太赫兹声子极化激元简介

第四节 本文的工作

第二章 太赫兹极化激元产生过程理论和数值模拟

第一节 元激发理论

第二节 声子极化激元在铁电晶体中的方程表示

第三节 飞秒激光激发声子极化激元

第四节 Comsol模拟太赫兹声子极化激元产生过程

第三章 太赫兹声子极化激元与亚波长结构作用建模方法

第一节 软件简介与比较

第二节 波源设置

第三节 声子参与引起材料色散的设置方法

第四节 金属材料设置

第五节 其他设置

第四章 太赫兹声子极化激元与金属亚波长结构作用模拟结果

第一节 亚波长天线结构的局域增强作用模拟

第二节 亚波长天线阵列的频率选择作用模拟

第五章 总结与展望

第一节 总结

第二节 展望

参考文献

致谢

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