致 谢 18

图清单

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图3-1

本文提出的超材料传感器结构示意图 6

图4-1 优化后结构的反射率、透过率随频率的变化曲线 8

图4-2 圆环星形层改变星形曲率半径后的透射曲线随频率的变化 9

图4-3 用不同折射率的介质填充介质层后透射曲线随频率的变化

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图4-4 n=1.05时3.9THz处结构中的电流和电荷分布 11

图4-5 n=1.05时3.9THz位置，结构内部截面的电场分布

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变量注释表

a 三氧化二铝衬底宽度

h 金属圆环内嵌星形结构厚度

g 三氧化二铝衬底厚度

R1 金属圆环内半径

R2 金属圆环外半径

R3 金属星形结构半径

1 绪论

1.1 太赫兹辐射

太赫兹辐射一般是指位于红外光和微波辐射之间，频率在0.1THz—10THz范围内的电磁波。太赫兹辐射拥有非电离性的特征，许多复杂的分子在太赫兹频段具有自旋和振动模式，使得其在生物学、传感和安全监测技术中有广阔的应用前景[1,4]。然而，光子波长和待测样本尺寸不匹配及有效光源的缺乏等问题极大制约了太赫兹技术的应用发展历程[5,6]。因为自然界的材料对THz频段的电磁波缺乏响应，所以科研工作者尝试将超材料技术应用于THz器件的研究工作中。

太赫兹频段的电磁波在应用价值以及学术研究方面发挥着及其重要的作用。同时由于太赫兹波所处的电磁波谱的位置比较特殊，从而使得太赫兹频段的电磁波有着许多非常优越的性质，所以太赫兹波在材料与结构的无损探伤以及三维层析、材料学以及材料分子的特殊光谱信息、光谱学、生物学、生物组织的活体检查、医学成像、分析违禁物品反恐检查、卫星间宽带通信、高精度保密雷达等领域的研究，以及在等离子体物理、天体物理学、环境科学、信息科学等领域有着广阔的应用前景。

1.2 超材料

“超材料”这一概念最早由研究复杂介质的科研团队提出[7,8]，超材料(Metamaterials)作为一种复合材料，是由人工设计出的具有周期性单元结构的电磁材料，具有超常的电磁特性，该特性不能够在天然材料中获得。超材料的出现代表了近几年对非常规材料以及复杂介质的研究所取得的成果，其中，国际上最公认的解释[9] 是用希腊词“meta”来表示那些由传统的材料组合而成的复合结构表现出来的一些新的特性。

科学家们最开始是研究电磁波和天然材料之间的相互作用，结果发现，由于分子结构存在非对称性，当电磁波穿过由这些非对称的分子构成的天然材料时，会出现奇异的特性。比如：电磁波的极化方向会发生变化，这一现象一般被认为这一材料具有旋光性。再比如：在一种天然手性材料中，一束线偏振光会分解成两束左旋和右旋的圆偏振光。研究者们设想通过人工合成，将金属或人工夹层合理地设计在电介质上。夹层的作用相当于天然材料中分子的作用，但是它具有更大的尺寸，当以较长波长的电磁波入射时，会产生有效的相互作用。因此，研究者们设想在微波频段制作能够改变电磁波极化特性的人工手性材料。这些复杂的人工合成材料展示出天然材料所不具备的新特性。论文网