石墨烯亞波長(zhǎng)光柵太赫茲傳感特性研究

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1、分類號(hào)：密級(jí)：UDC：編號(hào)：專業(yè)碩士學(xué)位論文（工程碩士）石墨烯亞波長(zhǎng)光柵太赫茲傳感特性研究碩士研究生：閆飛指導(dǎo)教師：李立副教授企業(yè)導(dǎo)師：竇娜博士工程領(lǐng)域：光學(xué)工程論文主審人：張建中教授哈爾濱工程大學(xué)2018年6月分類號(hào)：密級(jí)：UDC：編號(hào)：專業(yè)碩士學(xué)位論文（工程碩士）石墨烯亞波長(zhǎng)光柵太赫茲傳感特性研究碩士研究生：閆飛指導(dǎo)教師：李立副教授學(xué)位級(jí)別：工學(xué)碩士工程領(lǐng)域：光學(xué)工程所在單位：理學(xué)院論文提交日期：2018年4月26日論文答辯日期：2018年6月8日學(xué)位授予單位：哈爾濱工程大學(xué)ClassifiedIndex:U.D.C:ADissertationfortheProfess

2、ionalDegreeofMaster（MasterofEngineering）Studyonthecharacteristicsofgraphenesubwave-lengthgrating-basedterahertzsensorsCandidate:YanFeiSupervisor:Assoc.Prof.LiLiAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringEngineeringField:OpticalEngineeringDateofSubmission:Apr.26,2018DateofOralExamination:J

3、une8,2018University:HarbinEngineeringUniversity哈爾濱工程大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：本論文的所有工作，是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，由作者本人獨(dú)立完成的。有關(guān)觀點(diǎn)、方法、數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)的引用已在文中指出，并與參考文獻(xiàn)相對(duì)應(yīng)。除文中已注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)公開(kāi)發(fā)表的作品成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。作者（簽字）：日期：年月日哈爾濱工程大學(xué)學(xué)位論文授權(quán)使用聲明本人完全了解學(xué)校保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的有關(guān)規(guī)定，即研究生在校攻讀學(xué)位期間論文工

4、作的知識(shí)產(chǎn)權(quán)屬于哈爾濱工程大學(xué)。哈爾濱工程大學(xué)有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件。本人允許哈爾濱工程大學(xué)將論文的部分或全部?jī)?nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文，可以公布論文的全部?jī)?nèi)容。同時(shí)本人保證畢業(yè)后結(jié)合學(xué)位論文研究課題再撰寫的論文一律注明作者第一署名單位為哈爾濱工程大學(xué)。涉密學(xué)位論文待解密后適用本聲明。本論文（□在授予學(xué)位后即可□在授予學(xué)位12個(gè)月后□解密后）由哈爾濱工程大學(xué)送交有關(guān)部門進(jìn)行保存、匯編等。作者（簽字）：導(dǎo)師（簽字）：日期：年月日年月日摘要太赫茲（THz）輻射具有高信噪比、低光子能量和高空間分辨率等特

5、點(diǎn)，而且，大多數(shù)生物分子(如蛋白質(zhì)、核酸和DNA)的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)都位于THz光譜范圍，這使得THz傳感器在實(shí)時(shí)無(wú)標(biāo)記的生化和醫(yī)學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用背景。然而，在傳統(tǒng)的傳感器件和探測(cè)方法中，尤其針對(duì)微小劑量的生化樣品，難以進(jìn)行高靈敏度且高分辨率的THz波精準(zhǔn)檢測(cè)和分析。設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)新型的THz傳感器結(jié)構(gòu)，利用獨(dú)特的工作機(jī)理增強(qiáng)THz波與分析物的相互作用過(guò)程，是當(dāng)前解決THz精準(zhǔn)探測(cè)問(wèn)題的一個(gè)有效的途徑。本論文利用石墨烯等離激元共振對(duì)環(huán)境的敏感性，結(jié)合亞波長(zhǎng)光柵導(dǎo)模共振增強(qiáng)機(jī)制，顯著改善了THz波與分析物的空間作用效果，大幅度提升了傳感靈敏度和光譜分辨率。相比于波導(dǎo)腔共振和

6、超材料的THz傳感設(shè)計(jì)，基于石墨烯亞波長(zhǎng)光柵的設(shè)計(jì)方案在THz傳感技術(shù)方面表現(xiàn)出了更加優(yōu)異的的綜合性能。本論文綜述了太赫茲傳感器的背景意義及發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了新型石墨烯材料的基本結(jié)構(gòu)與物化性質(zhì)，以及石墨烯亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)在電磁仿真軟件COMSOL平臺(tái)上的建模與仿真方法。分別研究了連續(xù)分布石墨烯層和石墨烯條帶平面陣列的THz光譜響應(yīng)特性，討論了石墨烯等離子激元共振模式、光電場(chǎng)分布以及近場(chǎng)局域特性。系統(tǒng)地研究了五種不同構(gòu)型的石墨烯亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，包括柵脊型、柵谷型、柵脊-柵谷混合型的石墨烯條帶陣列結(jié)構(gòu)，以及柵谷缺陷型和連續(xù)分布的石墨烯矩形光柵結(jié)構(gòu)。分析了各種構(gòu)型的石墨烯亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的共振光譜

7、響應(yīng)和特性，仿真了局域共振近場(chǎng)分布，討論了不同構(gòu)型下的等離子激元共振模式，以及石墨烯矩形光柵中導(dǎo)模共振的激發(fā)機(jī)制。結(jié)合石墨烯亞波長(zhǎng)光柵的導(dǎo)模共振和等離子體激元共振，可以調(diào)控石墨烯表面電場(chǎng)分布模式和近場(chǎng)局域特性。尤其是，導(dǎo)模共振顯著增強(qiáng)了石墨烯表面等離子體激元的局域共振特征。石墨烯矩形亞波長(zhǎng)光柵表現(xiàn)出了超高品質(zhì)因子的對(duì)稱線形吸收光譜和強(qiáng)場(chǎng)局域性，這些特點(diǎn)對(duì)于微量生物化學(xué)樣品的高靈敏度和高精度傳感檢測(cè)具有明顯的優(yōu)越性。提出了一種基于石墨烯矩形亞波長(zhǎng)光柵的超靈敏且高分辨率的太赫茲傳感器設(shè)計(jì)，系統(tǒng)地分析了在折射率傳感探測(cè)方