【摘要】：手性是在自然界中普遍存在的一種重要幾何屬性,它源自于物體結(jié)構(gòu)自身鏡面對(duì)稱性的缺失。材料的手性特征能夠引起許多特殊的現(xiàn)象,例如藥物分子的旋性會(huì)對(duì)生命體產(chǎn)生影響、電子在手性分子中的透過率會(huì)受到其自身自旋取向的影響等。在光學(xué)領(lǐng)域,當(dāng)手性結(jié)構(gòu)與圓偏振態(tài)的光相互作用時(shí),也會(huì)有許多特殊的響應(yīng)出現(xiàn),包括旋光性、偏振轉(zhuǎn)換二色性等,這些效應(yīng)在通信、成像、傳感等領(lǐng)域具有十分重要的作用。然而自然界中的結(jié)構(gòu)由于其尺寸與光波長不匹配等因素,手征響應(yīng)一般比較微弱,這對(duì)我們研究手性光學(xué)造成了一定的困難。隨著研究的發(fā)展,異向介質(zhì)(Metamaterial)的出現(xiàn)為手性光學(xué)的研究提供了很大的幫助。我們可以通過人工設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)強(qiáng)烈的手征響應(yīng),在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)行對(duì)圓偏振光的有效調(diào)控。除此之外,作為人工構(gòu)造材料,異向介質(zhì)還具有許多自然界材料不具備的性質(zhì),如負(fù)折射率、強(qiáng)烈手征響應(yīng)等。作為異向介質(zhì)的二維形態(tài),超構(gòu)表面(Metasurface)同樣能用于手性光學(xué)的研究,并且相對(duì)于三維異向介質(zhì)來說超構(gòu)表面的體積更小,設(shè)計(jì)和制作更為簡單,更有利于器件的小型化和集成化。本論文以超構(gòu)表面的手征響應(yīng)為重點(diǎn),在新型超構(gòu)表面的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)等方面做了相關(guān)的研究。本文的具體研究內(nèi)容歸納如下:1.首先我們利用散射矩陣?yán)碚搶?duì)普通超構(gòu)表面做了一般性分析,說明了超構(gòu)表面旋光性、偏振轉(zhuǎn)換二色性等存在的條件,并且分析了單層超構(gòu)表面的偏振轉(zhuǎn)換限度,最后對(duì)幾類常見超構(gòu)表面的傳輸矩陣進(jìn)行了分析,為我們后續(xù)對(duì)超構(gòu)表面的研究和設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。2.對(duì)雙各向異性超構(gòu)表面的空間色散特性進(jìn)行了研究,證明了超構(gòu)表面可以同時(shí)具有強(qiáng)烈的線偏振二色性和圓偏振二色性。通過仿真和實(shí)驗(yàn),我們證明了非手性雙各向異性超構(gòu)表面在外界場(chǎng)垂直入射時(shí)可以具有強(qiáng)烈的線偏振二色性,即只能吸收兩種線偏振態(tài)波的其中一種;在傾斜入射時(shí)可以具有強(qiáng)烈的圓偏振二色性,即只能吸收兩種圓偏振波的其中一種。在此基礎(chǔ)上,我們通過調(diào)整超構(gòu)表面單元的尺寸和取向還設(shè)計(jì)了雙頻段手性和具有混合手性特征的超構(gòu)表面。3.我們將二維材料范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)的概念引入超構(gòu)表面的設(shè)計(jì)中,利用反向堆疊的超構(gòu)表面能夠?qū)崿F(xiàn)了圓偏振波的手性反轉(zhuǎn)分離。這種結(jié)構(gòu)可以將一種圓偏振態(tài)的波反射另一種圓偏振態(tài)的波透射,并且改變其偏振狀態(tài)。通過分析我們得出這種現(xiàn)象的產(chǎn)生是由結(jié)構(gòu)特殊的層間耦合作用所引起的。這種結(jié)構(gòu)也可以被用作線偏振波分束器,即能夠?qū)⒕�偏振的入射波分成兩束狀態(tài)正交的圓偏振波,一束被反射另一束透射,這種功能與入射波的偏振方向是無關(guān)的。另外,我們?cè)O(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)還具有非對(duì)稱傳輸?shù)男再|(zhì),在外界波反向入射時(shí),結(jié)構(gòu)的手性特征會(huì)發(fā)生反轉(zhuǎn)。4.通過超構(gòu)表面與二極管的結(jié)合設(shè)計(jì)了手征響應(yīng)可調(diào)控的超構(gòu)表面。我們首先設(shè)計(jì)了一種手性開關(guān)超構(gòu)表面,通過切換PIN二極管的導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)可以調(diào)控超構(gòu)表面手征響應(yīng)的強(qiáng)弱。我們還設(shè)計(jì)了一種多狀態(tài)可切換超構(gòu)表面,利用兩個(gè)二極管與超構(gòu)表面結(jié)合,設(shè)計(jì)出四種狀態(tài)可切換的超構(gòu)表面,分別對(duì)應(yīng)左旋偏振吸收、右旋偏振吸收、都吸收和都不吸收四種情況。5.利用幾何相位原理實(shí)現(xiàn)了具有手性分束聚焦功能的超構(gòu)表面。我們使用三層超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了一種平面超構(gòu)透鏡,這種透鏡可以實(shí)現(xiàn)對(duì)一種圓偏振波的透射聚焦,對(duì)另一種圓偏振波的反射發(fā)散,并且具有非對(duì)稱傳輸特性,最后我們?cè)谖⒉l段對(duì)這種超構(gòu)透鏡進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：O436.3;TH237.5
【圖文】：

邐山東大學(xué)博士學(xué)位論文邐逡逑奇妙的現(xiàn)象：蝴蝶的翅膀可以顯示出斑斕的色彩，這是由于其表面的樹狀結(jié)逡逑構(gòu)所引起的［３］；甲蟲在不同圓偏振光的照射下會(huì)反射不同的色彩，這是源逡逑自于甲蟲殼表面螺旋形的結(jié)構(gòu)［４］；公元四世紀(jì)羅馬人使用一種紅寶石玻璃逡逑制作了著名的萊克格斯杯（Ｌｙｃｕｒｇｕｓ邋Ｃｕｐ），當(dāng)光源在杯子外面照射時(shí)，杯子逡逑看起來呈現(xiàn)綠色，而當(dāng)光源在杯子內(nèi)照射時(shí)，杯子看起來就是紅色的，這種逡逑現(xiàn)象則是源于混合于材料內(nèi)部的金銀顆粒分布［５邋］。這些新奇的現(xiàn)象都指引逡逑這我們?nèi)ヌ剿餍碌奈锢硪?guī)律。逡逑

［ｇ邋Ｉ邋ｉ邋ｊ邋ｉ邋”＜０邐ｃ＜０邐ｎ＜０逡逑ＪＪＩＪ邋＾＼＼＼逡逑圖１．２邋（ａ）首個(gè)（；Ｈｚ頻段實(shí)現(xiàn)負(fù)折射率的結(jié)構(gòu)丨１８｜；邋（ｂ）在光頻段實(shí)現(xiàn)負(fù)折射率的逡逑結(jié)構(gòu)丨１９｜逡逑Ｇ邋ｊ�。�？ｄ邋ｅｔｅｃｌ？ｏｍａｇｎ＃ｔ＞ｃ邋ｗ；ｉｖ？逡逑７邋．邐＇，邐（ｂ）逡逑＊邐ｒ邋．“ｒ＞。邐＜ｒ＞0．．ｒ．0逡逑Ｊ．．邐N邋Ｊ邋．邐邐邐—邐邐邐逡逑，＂邋：，邋二二逡逑圖１．３邋（ａ）利用異向介質(zhì)實(shí)現(xiàn)電磁隱身丨２４丨；（ｂ）利用異向介質(zhì)實(shí)現(xiàn)“彩虹效應(yīng)”｜２７丨逡逑進(jìn)入２１世紀(jì)以來，異向介質(zhì)領(lǐng)域快速發(fā)展，人們不斷構(gòu)造出新的結(jié)構(gòu)逡逑并發(fā)現(xiàn)一系列新的現(xiàn)象，也正是由于其發(fā)展迅速，異向介質(zhì)一直沒有一個(gè)明逡逑確的定義［３邋３邋］。人們普遍認(rèn)同的一種觀點(diǎn)是異向介質(zhì)是一種人工構(gòu)造的具有逡逑特殊性質(zhì)的材料，這里我們遵循的異向介質(zhì)的定義是：逡逑異向介質(zhì)是一種人工構(gòu)造的亞波長單元構(gòu)成的陣列結(jié)構(gòu)（Ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ逡逑ａｒｅ邋ｐｅｒｉｏｄｉｃ邋ａｒｒａｙｓ邋ｏｆ邋ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ邋ｗｉｔｈ邋ａ邋ｐｉｔｃｈ邋ｓｍａｌｌｅｒ邋ｔｈａｎ邋ｔｈｅ逡逑

山東大學(xué)博士學(xué)位論文逡逑么找到一種合適的方法對(duì)其物理性質(zhì)進(jìn)行表征是研宄的關(guān)鍵所在。三維體結(jié)逡逑構(gòu)的異向介質(zhì)通常使用等效介電常數(shù)、等效磁導(dǎo)率、等效折射率的方法來對(duì)逡逑其進(jìn)行表征，然而由于超構(gòu)表面是一種二維結(jié)構(gòu)，其厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長，所逡逑以使用這種方法來對(duì)其進(jìn)行表征的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)一些問題［４８］。于是，Ｃ．邋Ｌ．逡逑Ｈｏｌｌｏｗａｙ教授提出可以使用等效的表面電、磁極化率對(duì)超構(gòu)表面進(jìn)行表征，逡逑并且利用表面過渡條件（Ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ邋ｓｈｅｅｔ邋ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ邋ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，邋ＧＳＴＣｓ）進(jìn)逡逑行了詳細(xì)的理論分析［４４．４９．邋５0ｈ至此，超構(gòu)表面的概念變得更加清晰，發(fā)逡逑展也更為迅速。逡逑

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8 孫蒙;周文U

本文編號(hào)：2795885