人工結(jié)構(gòu)超表面及一維光子晶體對(duì)電磁波的調(diào)控研究.pdf

1、隨著納米加工工藝的發(fā)展與成熟，人工結(jié)構(gòu)超材料(Metamaterials)成為近年來研究的熱點(diǎn)。超材料是指具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料，其是由人工亞波長(zhǎng)共振單元按照周期性或準(zhǔn)周期性排列而成的人工電磁材料。由于超材料共振單元結(jié)構(gòu)的尺寸遠(yuǎn)小于電磁波的工作波長(zhǎng)，某種意義上可以把這些共振單元等效為均勻的電磁媒質(zhì)，從而通過設(shè)計(jì)共振單元實(shí)現(xiàn)任意的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率來調(diào)控電磁波。
　　由于三維超材料損耗大，帶寬窄及制

2、作困難等方面的不足，科研工作者逐步把目光轉(zhuǎn)移到二維超材料，也就是超表面。目前，超表面在實(shí)現(xiàn)異常反射/折射、偏振轉(zhuǎn)換、超吸收等方面已經(jīng)表現(xiàn)出優(yōu)越性。此外，光子晶體作為一種人工結(jié)構(gòu)超材料，也為人們操控電磁波提供了一種強(qiáng)有力的手段。本論文圍繞人工結(jié)構(gòu)超表面及一維光子晶體，深入研究了超表面實(shí)現(xiàn)反射/折射、偏振轉(zhuǎn)換、超吸收體及基于一維光子晶體設(shè)計(jì)紅外窄帶輻射源等。主要研究?jī)?nèi)容及成果包括以下幾個(gè)方面：
　　(1)在廣義反射定律的基礎(chǔ)上，提出了

3、一種梯形結(jié)構(gòu)連續(xù)超表面實(shí)現(xiàn)異常反射。與所報(bào)道的分離結(jié)構(gòu)超表面相比，本文提出的連續(xù)結(jié)構(gòu)超表面在一個(gè)超晶胞內(nèi)僅包含一根梯形天線，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且相位連續(xù)變化。研究表明，這種連續(xù)結(jié)構(gòu)超表面具有低損耗、高效率和寬帶寬等優(yōu)點(diǎn)。
　　(2)在廣義折射定律的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了工作在高階模式的超表面。在分析V型天線透射幅值和相位與臂長(zhǎng)和夾角之間關(guān)系的基礎(chǔ)上，通過V型天線序列的改變，創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)出兩種實(shí)現(xiàn)大異常折射角的超表面。根據(jù)衍射理論，兩種新的設(shè)

4、計(jì)等效于衍射光柵運(yùn)行在高階模式，這種工作在高階模式的超表面在高分辨率光譜及高階渦旋光等方面具有重要應(yīng)用價(jià)值。
　　(3)分別設(shè)計(jì)了近紅外波段具有超薄、高透特性的四分之一波片和半波片。在分析雙層等離子表面對(duì)稱結(jié)構(gòu)透射相位與幅值隨金屬結(jié)構(gòu)和頻率的變化關(guān)系的基礎(chǔ)上，分別完成了四分之一波片和半波片的設(shè)計(jì)，并且研究了它們的偏振轉(zhuǎn)換率(PCR)及頂、底層結(jié)構(gòu)中心偏離對(duì)PCR導(dǎo)致的影響。
　　(4)研究制備出了一種紅外波段寬帶超吸收體?；?/p>

5、于聚苯乙烯微球(PS球)制備了紅外波段超吸收體樣品，測(cè)試結(jié)果顯示在2μm-5μm波段的帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)了超吸收。研究還發(fā)現(xiàn)這種寬帶超吸收體還可以通過改變晶胞常數(shù)或 PS球的大小來調(diào)節(jié)吸收峰的位置和吸收帶寬。
　　(5)基于一維光子晶體，設(shè)計(jì)并制備了一種紅外波段窄帶熱輻射源。研究了腔層厚度對(duì)吸收峰位及Q因子的影響，分析了不同波長(zhǎng)的場(chǎng)強(qiáng)及吸收分布，計(jì)算了變角度吸收的偏振相關(guān)性。在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，制備了紅外窄帶熱輻射源樣品，并測(cè)試了所制備樣