无衬底太赫兹滤波器加工及性能研究

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太赫兹(Terahertz,THz),一般指波段位于0.1THz的毫米波和10THz的远红外线之间的电磁波,具有相干性、低能性、穿透性、瞬时性的特点,在无损检测、生物医学、安检等领域有着巨大的应用前景。太赫兹技术是未来6G通讯技术中的关键,能有效地控制和调控太赫兹波是太赫兹技术实现广泛应用的前提。因此对太赫兹系统中的功能器件如太赫兹波导、偏振器、调制器、天线、开关、高通低通、带通带阻滤波器等的研究尤为重要。因此,如何制造低成本、高性能的太赫兹器件具有重大研究价值。现有的太赫兹滤波器件一般基于频率选择表面(Frequency Selective Surface,FSS)、超材料(Metamaterial)、波导滤波器和光子晶体这四种结构设计。其中以频率选择表面和超材料运用最为广泛。然而,由于太赫兹波长较短,导致其功能器件的结构尺寸也较小,普通的机械加工技术难以胜任。飞秒激光微加工以其高精度、低成本和“冷”加工特点被广泛应用于微机电系统的制造。相比于传统的喷墨打印、光刻法和气相化学沉积和等微加工技术,其系统结构简单,工序更少,成本更低,通过单一的烧蚀操作,可以完成各种微观结构的高精加工。本论文利用时域有限差分法(FDTD)仿真设计滤波器结构,基于自搭建飞秒激光微加工平台制造低成本、大面积、高性能的无衬底太赫兹滤波器件,包括线栅偏振片、带通和高通滤波器,并利用时域太赫兹光谱系统进行性能测试。论文主要研究内容包括:(1)利用FDTD仿真分析单元结构尺寸各项参数、入射角度、孔隙侧壁等对太赫兹滤波器(带通、偏振、高通)性能的影响;发现厚十字滤波器中表面等离子体激元的耦合效应和高通滤波器中随入射角度改变的双阻带效应。(2)搭建飞秒激光微加工系统,利用自动调平装置、激光整形技术改进加工质量,编写飞秒激光自动加工程序、自动对焦程序及矩阵补偿程序实现高质量加工。(3)在线栅偏振器设计上进行大胆创新,提出引入非连续短线支撑结构制备大面积太赫兹偏振片的构想。(4)利用时域太赫兹光谱仪对上述滤波器件进行实验测量,数据分析及讨论。
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