石墨烯亚波长光栅太赫兹传感特性研究

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1、分类号：密级：UDC：编号：专业硕士学位论文（工程硕士）石墨烯亚波长光栅太赫兹传感特性研究硕士研究生：闫飞指导教师：李立副教授企业导师：窦娜博士工程领域：光学工程论文主审人：张建中教授哈尔滨工程大学2018年6月分类号：密级：UDC：编号：专业硕士学位论文（工程硕士）石墨烯亚波长光栅太赫兹传感特性研究硕士研究生：闫飞指导教师：李立副教授学位级别：工学硕士工程领域：光学工程所在单位：理学院论文提交日期：2018年4月26日论文答辩日期：2018年6月8日学位授予单位：哈尔滨工程大学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哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者（签字）：日期：年月日哈尔滨工程大学学位论文授权使用声明本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论文工

4、作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。本论文（□在授予学位后即可□在授予学位12个月后□解密后）由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。作者（签字）：导师（签字）：日期：年月日年月日摘要太赫兹（THz）辐射具有高信噪比、低光子能量和高空间分辨率等特

5、点，而且，大多数生物分子(如蛋白质、核酸和DNA)的振动和转动能级都位于THz光谱范围，这使得THz传感器在实时无标记的生化和医学检测领域有着重要的应用背景。然而，在传统的传感器件和探测方法中，尤其针对微小剂量的生化样品，难以进行高灵敏度且高分辨率的THz波精准检测和分析。设计并开发新型的THz传感器结构，利用独特的工作机理增强THz波与分析物的相互作用过程，是当前解决THz精准探测问题的一个有效的途径。本论文利用石墨烯等离激元共振对环境的敏感性，结合亚波长光栅导模共振增强机制，显著改善了THz波与分析物的空间作用效果，大幅度提升了传感灵敏度和光谱分辨率。相比于波导腔共振和

6、超材料的THz传感设计，基于石墨烯亚波长光栅的设计方案在THz传感技术方面表现出了更加优异的的综合性能。本论文综述了太赫兹传感器的背景意义及发展现状，介绍了新型石墨烯材料的基本结构与物化性质，以及石墨烯亚波长结构在电磁仿真软件COMSOL平台上的建模与仿真方法。分别研究了连续分布石墨烯层和石墨烯条带平面阵列的THz光谱响应特性，讨论了石墨烯等离子激元共振模式、光电场分布以及近场局域特性。系统地研究了五种不同构型的石墨烯亚波长结构，包括栅脊型、栅谷型、栅脊-栅谷混合型的石墨烯条带阵列结构，以及栅谷缺陷型和连续分布的石墨烯矩形光栅结构。分析了各种构型的石墨烯亚波长结构的共振光谱

7、响应和特性，仿真了局域共振近场分布，讨论了不同构型下的等离子激元共振模式，以及石墨烯矩形光栅中导模共振的激发机制。结合石墨烯亚波长光栅的导模共振和等离子体激元共振，可以调控石墨烯表面电场分布模式和近场局域特性。尤其是，导模共振显著增强了石墨烯表面等离子体激元的局域共振特征。石墨烯矩形亚波长光栅表现出了超高品质因子的对称线形吸收光谱和强场局域性，这些特点对于微量生物化学样品的高灵敏度和高精度传感检测具有明显的优越性。提出了一种基于石墨烯矩形亚波长光栅的超灵敏且高分辨率的太赫兹传感器设计，系统地分析了在折射率传感探测方