【正文】 ducting．Key words: Metamaterial，terahertz，modulator目 錄第一章 緒論 ..............................................................................................................1 引言 .................................................................................................................................1 Metamaterial 概述 ........................................................................................................2 　 Metamaterial 的原理 ....................................................................................................4 細(xì)金屬線點(diǎn)陣 ..................................................................................................................5 開口環(huán)諧振器 .................................................................................................................6 負(fù)折射率 Metamaterial ..................................................................................................8 選題背景 .........................................................................................................................8 論文結(jié)構(gòu)及主要內(nèi)容 ......................................................................................................9第二章　 METAMATERIAL 太赫茲調(diào)制器 ...........................................................9 電控 Metamaterial 太赫茲調(diào)制器 ....................................................................................9 光控 Metamaterial 太赫茲調(diào)制器 .................................................................................14 溫度調(diào)諧的太赫茲 Metamaterial...................................................................................20 太赫茲空間光調(diào)制器 .....................................................................................................22第三章 太赫茲 METAMATERIAL 的其他研究 .................................................26 太赫茲 Metamaterial 的偏振特性 ...............................................................................26 Metamaterial 的互補(bǔ)特性 ...........................................................................................28 手性太赫茲 Metamaterial .............................................................................................29 法諾共振太赫茲 Metamaterial......................................................................................31 高溫超導(dǎo)太赫茲 Metamaterial......................................................................................33第四章 總結(jié)與展望 .................................................................................................35參考文獻(xiàn) .....................................................................................................................36致 謝 辭 .....................................................................................................................40附 錄 ......................................................................................................................... 41一種太赫茲調(diào)制器 .....47第一章 緒論 引言太赫茲波（Trays）是指頻率范圍大致為 ～30THz（波長在 之間） ，介于微波與遠(yuǎn)紅外光之間的一段電磁波段，如圖 13~0m?示．太赫茲波在電磁波譜中占有一個(gè)很特殊的位置，在頻域上，該波段處于宏觀經(jīng)典理論向微觀量子理論的過渡區(qū)；從能量上看，太赫茲波段的能量介于電子和光子之間，處于電子學(xué)向光子學(xué)的過渡區(qū)域．長期以來由于缺乏有效的產(chǎn)生和探測太赫茲輻射的方法，人們對(duì)于該波段的了解有限， 使得太赫茲成為電磁波譜中最后一個(gè)未被全面研究的頻率窗口，被稱為電磁波譜中的太赫茲空隙 ( THz Gap)．太赫茲波以其具有的獨(dú)特的特性在生物醫(yī)學(xué)診斷、安全成像、軍事探測、射電天文學(xué)、大氣研究、高速通信、包裝產(chǎn)品的質(zhì)量控制、農(nóng)業(yè)濕度分析等方面有著重要應(yīng)用前景．太赫茲無線通信所具有的高帶寬，高比特率的特點(diǎn)，使其在未來短距離無線通信方面具有巨大的應(yīng)有潛力． 近二十年來，太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)和量子級(jí)聯(lián)激光器的發(fā)展，為太赫茲波的研究提供了合適的光源和探測手段，使得太赫茲發(fā)射和探測技術(shù) 都有了很大的發(fā)展．太赫茲調(diào)制器作為操縱太赫茲信號(hào)傳輸系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵部件，其相關(guān)研究對(duì)太赫茲科學(xué)和技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用具有重大意義．由于天然材料對(duì)太赫茲波段的電磁響應(yīng)非常微弱，難以實(shí)際應(yīng)用于操縱太赫茲波，因而相較于太赫茲發(fā)射和探測技術(shù)的飛速發(fā)展，操控太赫茲的技術(shù)卻顯得進(jìn)展緩慢．最近幾年來 Metamaterial 的相關(guān)研究，使人們看到了人為操縱太赫茲波傳輸?shù)男孪Ｍ甅etamaterial 能夠以一種新奇的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的調(diào)控，而且通過改變 Metamaterial 的幾何尺寸調(diào)節(jié)其共振頻率，因此太赫茲波段 Metamaterial 卻很容易實(shí)現(xiàn)．因此太赫茲波段Metamaterial 研究迅速成為 Metamaterial 的一個(gè)研究熱點(diǎn)，而各種Metamaterial 太赫茲調(diào)制器的相關(guān)研究尤其引人注目，太赫茲 Metamaterial的實(shí)現(xiàn)為產(chǎn)生全新的操縱太赫茲波的技術(shù)，發(fā)展新型的太赫茲調(diào)制器件提供了新的機(jī)遇． Metamaterial 概述Metamaterial 指的是一些具有人工設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，并呈現(xiàn)出自然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的復(fù)合材料，它能夠以一種新奇的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)光波的調(diào)控． ．Metamaterial 一詞最初由 Walser 提出，用于表示具有兩種或兩種以上的天然材料所不具有的電磁響應(yīng)的三維周期性人工復(fù)合材料．然而，一些后來出現(xiàn)的 Metamaterial 卻并不完全符合這一定義．雖然，目前科學(xué)界尚未對(duì) Metamaterial 的結(jié)構(gòu)達(dá)成一致，但一般認(rèn)為可以用一下特點(diǎn)來分別 Metamaterial 與傳統(tǒng)材料：（ 1）其結(jié)構(gòu)可以用一系列類似的等效電磁參數(shù)描述． （2）這些參數(shù)由微小導(dǎo)電共振器陣列的集體響應(yīng)所共同決定． （3）所有共振器呈周期性排列結(jié)構(gòu)． （4）這些周期性排列結(jié)構(gòu)的晶格常數(shù)小于或等于是所操縱電磁波波長的十分之一．這些特征就把Metamaterial 與光子晶體（ photonic crystals） ，金屬孔陣列（ metallic hole arrays） ，頻率選擇表面（frequencyselective surfaces）等其他的用于操縱電磁波的人造結(jié)構(gòu)區(qū)分了開來． Metamaterial 通常是由亞波長結(jié)構(gòu)的金屬共振器和電介質(zhì)組成的，其獨(dú)特的電磁特性主要源自于它的共振結(jié)構(gòu)單元而不是像常規(guī)材料一樣取決于其構(gòu)成原子或分子．Metamaterial 概念的最初被提出與 負(fù)折射率介質(zhì)(NIMs)有關(guān)的，由于負(fù)折射率介質(zhì)的介電常數(shù) ε 和磁導(dǎo)率 μ 都為負(fù)值，電場、磁場和波矢三者不是像常規(guī)材料一樣構(gòu)成右手關(guān)系而是成左手關(guān)系，因而負(fù)折射介質(zhì)有時(shí)也被稱為左手材料(LHMs)．20 世紀(jì) 60 年代前蘇聯(lián)物理學(xué)家 Veselago 由麥克斯韋方程組出發(fā)，從理論上分析了電磁波在介電常數(shù)與磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)的介質(zhì)中的傳播特性，指出介電常數(shù)與磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)的材料的存在是不違反物理學(xué)定律的，并且這種材料具有負(fù)折射率、逆多普勒效應(yīng)、逆古斯?jié)h森相移、逆契侖科夫輻射等奇異的物理特性[1]．但是由于在自然界中一直無法找到天然的負(fù)折射介質(zhì)，Veselago 本人也沒有提出實(shí)現(xiàn)材料的介電常數(shù)與磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)的方案，在其后的近 30 年間，有關(guān)負(fù)折射的研究幾乎沒有得到任何進(jìn)展．直到 20 世紀(jì) 90 年代，英國科學(xué)家 Pendry 提出可以利用金屬線陣列 (wire mesh) 獲 得 負(fù) 的 介 電 常 數(shù)， 利用 開 口 環(huán) 共 振 器 陣 列 (SplitSpring Resonators， SRRs)獲得負(fù)的磁導(dǎo)率，進(jìn)而可以通過將周期性的金屬線陣列和開口環(huán)共振器陣列組合起來的亞波長結(jié)構(gòu)得到負(fù)折射率材料，這為 Metamaterial 的興起奠定了基礎(chǔ)[2]． 2022 年 Smith 等根據(jù) Pendry 等人的理論模型，首次制備出微波段同時(shí)具有負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率的材料，并通過實(shí)驗(yàn)觀察到了負(fù)折射現(xiàn)象[3]．隨后，近紅外和光波段 Metamaterial 也被成功制備． Metamaterial 新奇的電磁特性為改進(jìn)已有的光學(xué)設(shè)備和探索新的應(yīng)用提供了新機(jī)遇,相關(guān)的研究進(jìn)展包括能夠突破衍射極限的超棱鏡（superlenses） ，對(duì)樣品的數(shù)量變化和響應(yīng)靈敏的生物傳感器，磁耦合性更好的核磁共振成像儀，隱身斗篷，用幻影代替真實(shí)物體圖像的設(shè)備等．由于 Metamaterial 研究的興起，使得相關(guān)的基礎(chǔ)研究，新穎的設(shè)計(jì)和先進(jìn)應(yīng)用等新的研究領(lǐng)域?qū)?duì)物理理論和工程應(yīng)用產(chǎn)生重大影響． 　Metamaterial 的原理負(fù)折射率 Metamaterial 主要由細(xì)金屬線點(diǎn)陣（ Lattice of Thin Wires）和開口諧振環(huán)（splitring resonators ，SRRs) 兩種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)．細(xì)金屬線點(diǎn)陣獨(dú)特的電場響應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)負(fù)的介電系數(shù)，開口環(huán)諧振器的磁場響應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)負(fù)磁導(dǎo)率．根據(jù)復(fù)數(shù)形式的麥克斯韋方程組和媒質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系可推出正弦時(shí)變電磁場的波動(dòng)方程為亥姆霍茲方程: 　　　　　　 (1)20Ek?????其中 ．對(duì)于 和 都為正的介質(zhì)，方程2rk???????（1）有波動(dòng)解，電磁波能在其中傳播．其傳播常數(shù) 取決于介質(zhì)的宏觀k參數(shù) 和 ．對(duì)于無損耗、各向同性、空間均勻介質(zhì)，由麥克斯韋方程組??可以得到 　　　 (2) ,0,kEHkEH??????????????可見在常規(guī)媒質(zhì)中電場強(qiáng)度 、磁場強(qiáng)度 和傳播矢量 之間滿足k?右手螺旋關(guān)系，電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度大小的比例關(guān)系取決于介質(zhì)的波阻抗．如果介質(zhì)的 和 都是負(fù)數(shù)， 仍有實(shí)數(shù)解，即方??????20k????程（1）仍有波波動(dòng)解，電磁波仍能在其中傳播，從（2）中可以明確的看出，此時(shí)電場強(qiáng)度 、磁場強(qiáng)度 和傳播矢量 三者之間不再滿足右手手E??H???螺旋關(guān)系而是滿足左手螺旋關(guān)系．電磁波能流的方向取決于坡印廷矢量的方向，由 可知， 始終與 構(gòu)成右手螺旋關(guān)系．因此在S??SE