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太赫兹电磁诱导透明的调控
景辉辉
（吕梁学院,山西 吕梁 033000）
摘 要：笔者对太赫兹波段利用超材料表面等离子共振模拟实现量子现象电磁诱导透明进行了研究,针对现有被动控制方法增加材料加工难度的问题,设计了用于实现电磁诱导透明现象的超材料结构,并利用其进行了对电磁诱导透明现象的实验测量与软件模拟,通过实验研究和理论分析,论述了共振频率-透过率曲线随着磁感应强度和温度的变化,指出了可以通过改变磁感应强度和温度实现电磁诱导透明的主动控制,对实现太赫兹波段的可调功能性器件具有重要的意义.
关键词：超材料；电磁诱导透明；主动控制；磁感应强度；温度
中图分类号：O441.6；TB34；TP212 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2017.03.046
电磁诱导透明是一种量子干涉现象,是由两束光相干相消产生的结果.当只有一束光作用在介质上时,由于介质共振,对光有较强的吸收.当另外一束光同时作用于这个介质时,在这宽的共振吸收谱线中有一个尖锐的透过峰,使得不透明的介质变得透明[1-2].电磁诱导透明能够改变色散性质,减慢光在介质中的速度.这对实现慢光、光存储、传感器、滤波器等有重要的应用.然而由于电磁诱导透明属于量子研究领域,因此严苛的实验环境及其条件限制了对其的研究.
电磁诱导透明可以在经典系统中通过超材料的特殊结构来类比实现.超材料是一种特殊的人工复合材料,具有独特的电磁性质以及潜在的应用.近年来,太赫兹波段的超材料研究引起人们极大的关注.太赫兹波段在电磁波谱线中处于微波和光波之间,有着巨大的应用前景[3-4].在超材料结构中,两相邻共振器能够分别被太赫兹波在同一频率激发,且具有不同的线宽.两者相干相消,使得宽的吸收谱线有了透射窗.近年来,一系列的共振器结构被提出,如金属棒、开口谐振环结构等[5-6].
目前对电磁诱导透明的控制已经有大量的研究,可以通过改变结构尺寸、角度等来实现,这种被动控制增加了材料的加工难度.基于此笔者提出通过改变外界磁场的磁感应强度和温度,实现电磁诱导透明的主动控制,这对实现太赫兹调制器、滤波器、传感器等可调功能性器件具有重要意义.
1 超材料结构设计
超材料结构及其具体参数见图1.其中,图1-a为电磁诱导透明的超材料结构设计,L等于70 μm,T等于
12 μm,lx等于36 μm,ly等于18 μm,s等于2 μm,h等于100 μm,
w等于6 μm,周期性单元结构沿着x和y方向都是
100 μm,电场沿着y方向；图1-b为所设计的超材料结构在基底上周期性的排列.
在图1中,浅色区域的材料选择的是锑化铟（InSb）,这是由于其介电常数在外部磁场以及温度激发的情况下可以调节；深色区域的基底介质材料选择的是特氟龙（Teflon）,介电常数εs等于2.08.为了实现电磁诱导透明,笔者将200 nm厚的InSb棒和对称性排列在两端的开口谐振环（SRRs）共振器,光刻在厚度为100 μm的Teflon基底上,构成笔者设计的超材料结构.
2 电磁诱导透明现象的模拟与分析
2.1 电磁诱导透明现象的实验测量与软件模拟
太赫兹波垂直入射到结构上时,可以通过实验测量透射光谱与通过商业软件CST Microwe Studio
模拟透射光谱两种方法,获得InSb棒、SRRs共振器以及组合结构的透过率曲线.InSb棒、SRRs共振器以及组合结构的透过率曲线和共振频率处的电场分布图,见图2.其中,根据图形性质的不同,图2-a,2-b,2-c为实验曲线,图2-d,2-e,2-f为模拟曲线,图2-g,2-h,2-i为共振频率处的电场分布图；根据研究对象的不同,图2-a,2-d,2-g的研究对象为InSb棒,图2-b,2-e,2-h的研究对象为SRRs共振器,图2-c,2-f,2-i的研究对象为组合结构.
1）若只研究InSb棒,当入射波电场沿着InSb棒即y方向时,InSb棒直接被激发,呈现出典型的偶极子局域表面共振特性,称为明模,见图2-a,2-d.
2）当入射波电场沿着SRRs共振器开口方向时,被激发在相同的频率处,由于SRRs共振器不能直接与入射波电场耦合,称为暗模,见图2-b,2-e.
3）在组合结构中,入射波激发InSb棒产生明模,明模通过近场相互耦合激发产生暗模,两者的相互作用产生电磁诱导透明现象[7-8],见图2-c,2-f.图2-g,2-h,2-i为共振频率处的电场分布图,进一步说明了在共振频率处明模激发暗模,产生电磁诱导透明.
2.2 共振频率-透过率曲线随着磁感应强度的变化
为了实现电磁诱导透明的调制,笔者在外界施加磁场.在法拉第装置中,当磁场的磁感应强度B0沿着z方向,从0.3 T阶梯变化为0.9 T时,共振频率-透过率曲线随着磁感应强度B0的变化,见图3.由图3可知,在磁感应强度增大过程中,电磁诱导透明现象仍然存在,透射峰值的共振频率逐渐红移,从0.23 THz阶梯变化为0.16 THz.
因此,电磁诱导透明的共振频率在外加磁场的磁感应强度恒定情况下,可随着温度T的变化实现调制.随着温度T的升高,载流子浓度N增加,共振耦合作用加强,共振幅值增强,有了明显的变化.
3 结论
综上所述,笔者通过利用超材料的结构耦合类比实现了量子现象电磁诱导透明,并在理论上实现了在太赫兹波段下的主动控制.通过在磁场方向恒定时改变磁感应强度的大小,以及在磁感应强度大小恒定时改变温度的高低,进一步分析得出共振频率的改变与材料的介电常数有关,阐述了如何通过改变磁感应强度或温度从而改变材料的介电常数,进而实现了电磁诱导透明的主动控制.这项工作对实现太赫兹调制器、滤波器、传感器等可调功能性器件奠定了理论基础,具有重要的意义.
太赫兹论文范文结:
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