基于超材料的光學射頻探測研究

高升

【摘 要】學位在目前的研究現狀來看，國內外已經把光學和射頻技術開始融合起來，這種新的方法也已經成為光學探測領域的重點。本文的主要探討方向就是基于加載了的光學射頻探測研究。本文由淺入深的討論了對太赫茲波的探測問題，目前，隨著工業技術的發展和科技的進步，國內外科學家已經成功研制出性能可靠的太赫茲源，同時太赫茲源的實際應用也非常的寬，在安檢成像和醫學應用等領域都能夠大展拳腳。

【關鍵詞】光學射頻探測；紅外信號；超材料

一、超材料器件的制備研究

金屬的SRR微結構進入電磁場的形式是共振，科學家們為了更加全面地對SRR陣列進行控制，將SRR結構以一種非常科學的方式制作成超材料器件。而這種人工超材料在對電磁波場進行共振感應時，受到了各種外界條件制約，為了能生產出一種不受外界條件制約的人工超材料，科學家們經過長期的艱苦研究和探索，開發出一套半導體制作工藝流程，而這套流程的意義就是確保超材料器件性能得到最大的保障。本文以半導體微電子集成制造技術中的光刻工藝為基礎，最大限度的將微米單位的SRR結構轉移到半導體襯底材料上，由此做出金屬電極。經過長時間的調試和實驗，提出了一套技術方法來對超材料進行版圖設計。一般常用的方法有以下幾種。

（一）半導體襯底

最常用的半導體就是金剛石類型和閃鋅礦類型的單晶。可以充分利用其高速遷移特性。

（二）半導體摻雜

半導體摻雜的基本原理就是加入一小部分的外來原子，在晶體生長的加工過中實現它。而這些外來原子可以作為間隙原子，穿插在正常的位置中間，使得整個的化學結構發生變化。

（三）肖特基接觸

最原始的方法就是在半導體的表面放置一根金屬絲，但是隨著工業技術的發展，現在都采用平面工藝制作。圖1-1，1-2，1-3分別為金屬N型半導體在熱平衡，正向偏壓和反向偏壓三種情況下接觸的能帶圖。

二、超材料對紅外信號的探測研究

光學射頻探測的實際應用非常的廣泛，例如安檢系統、質量檢測、信號探測和航天航空等各個方面和領域。但是有些高精尖領域對光學射頻探測有非常高的研究，比如有些場合就要求高速和高靈敏度信號探測，于是現有的紅外探測器就無法滿足要求，因為有些缺點比如說整個機器的體積和占地面積過大，探測器的波長范圍是固定值，不能隨著外界情況環境的變化進行調整和更改等等。

因為本文的主題就是基于超材料的光學射頻研究，所以發現有一些電磁波會導致特殊金屬圖案結構產生很多電子，而這些電子又會集體震蕩，通過集體震蕩在微納圖案這一結構內生產次級電磁振蕩，最后完成入射電磁波場這一物理過程。因為這些過程的量級都是微米級別，所以信號的響應一般都在納秒甚至亞納秒時域，這一過程還可以用電控或磁控這兩種方法來量化調節。

超材料的特殊金屬圖案排序能夠用非常快的速度入射電磁波場。這種速度是電磁波通過共振感應方式進行高效耦合與響應。在光頻紅外波段的影響下，人工超材料諧振器需要抗拒由入射電磁輻射造成的電磁狀態的改變。本文采用了一種細小結構來制作人工超材料，并用這種新器件來感應光頻紅外信號，最后拿CCD傳感器獲取實驗結果透射成像，把紅外信號的探測轉換為可見光信號的探測，這是一種全新的光頻信號感測方式，該研究對于超材料在光學射頻探測領域的發展，有著質的突破。

三、基于超材料的光學射頻一體化架構

本文在前面有提到，利用人工進行圖案的刻畫，這樣做出來的超材料可以用共振的方法來對紅外光學輻射、太赫茲波和射頻毫米波進行捕捉，然后如果是對SRR陣列進行重新進行科學排列，排列過后的SRR陣列就可以感應到不同范圍的電磁波場，這種排列后的SSR陣列就能滿足光頻、射頻電磁波場的科學結構，并且還可以再擁有靈活和小巧的特征，而且穿透能力很棒，探測距離也很長。利用超材料微納結構做出來的光學射頻一體化探測陣列如圖3-1所示。縱向剖面示意圖如圖3-2所示。

四、實驗方案

本實驗采用西安凌越機電科技有限公司生產的型號為 H980-2000P 的近紅外半導體激光器，如圖4-1所示。可探測的波段非常廣泛。

在紅外影響的激勵環境下，超材料的上層金屬排列方式會產生一些感應方面的反應，這種現象會被顯微鏡觀測到。所以本文設計了圖4-2的方案進行測試。

由以上測試方案所衍生的光路實物圖由圖4-3所示。

圖4-3中可以看到顯微物鏡和超材料器件的頂端保持非常近的距離，這個距離一定要控制在0.1mm至1cm之間。顯微物鏡可將超材料器件上面的金屬排列的光學感應變化進行放大，然后就可以通過放大后的圖像進行觀測。

【參考文獻】

[1]李建蕊，李九生，趙曉麗.太赫茲時域譜技術快速定性檢測奶粉中的三聚氰胺[J]. 中國計量學院學報，2009（02）.

[2]張艷東.連續太赫茲波成像技術的檢測應用研究[D].首都師范大學，2008.