【摘要】：本論文研究的超材料都是金屬-介質(zhì)-金屬(metal-dielectric-metal, MDM)三明治結(jié)構(gòu)的超材料,具有負(fù)折射率和負(fù)磁導(dǎo)率等特性,通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì),能實(shí)現(xiàn)光學(xué)超常透射、負(fù)折射、阻帶、大帶寬通帶等。本文的研究主要包括三大部分,第一部分是金屬-介質(zhì)-金屬三明治結(jié)構(gòu)超材料樣品的制備,并使用傅里葉紅外光譜儀測(cè)量超材料樣品的透射率。第二部分是超材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)自身的電磁性質(zhì)的影響及其物理機(jī)制,第三部分是實(shí)現(xiàn)阻帶濾波器、大帶寬通帶濾波器等超材料功能器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和數(shù)值研究,以及帶寬通帶濾波器的樣品制備。同時(shí),通過對(duì)比超材料樣品的測(cè)量透射率和模擬透射率(主要是對(duì)比峰位和峰值),驗(yàn)證模擬工作的有效性。使用S參數(shù)反演方法提取超材料的有效參數(shù),并獲得超材料在共振頻率的電磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)分布情況,探索物理機(jī)制。本論文的主要內(nèi)容如下：1.介紹了本論文所采用的數(shù)值模擬方法的基本原理和模擬軟件。同時(shí),本論文在實(shí)驗(yàn)上制備了不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的金屬-介質(zhì)-金屬三明治結(jié)構(gòu)超材料樣品。2.數(shù)值研究了圓孔型MDM超材料的晶格常數(shù)對(duì)光學(xué)透射譜和負(fù)折射等電磁性質(zhì)的影響。隨著晶格常數(shù)的減小,超材料的低階透射峰出現(xiàn)異常增大現(xiàn)象,其物理機(jī)制為阻抗匹配,負(fù)折射帶隨著晶格常數(shù)的減小而藍(lán)移。對(duì)于長(zhǎng)方形孔陣列MDM超材料,通過對(duì)比測(cè)量透射率和模擬透射率,驗(yàn)證了課題組的模擬工作對(duì)模擬條件設(shè)置的有效性。通過增加長(zhǎng)方形孔的長(zhǎng)度,主透射峰和低頻透射峰的峰值都增加,同時(shí)峰位都出現(xiàn)紅移現(xiàn)象。在低頻透射峰范圍內(nèi)負(fù)折射率的絕對(duì)值和負(fù)折射帶寬都隨著長(zhǎng)度的增加而減小。3.研究了不同形狀的孔對(duì)MDM超材料電磁性質(zhì)的影響,在相同的條件下,十字型孔的低頻透射峰振幅達(dá)到最大,圓孔型的單元結(jié)構(gòu)得到最大的負(fù)折射率,但是負(fù)折射帶寬最大的是長(zhǎng)方形孔。研究了子結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)超材料電磁性質(zhì)的影響,通過改變金屬條在縱軸方向上與長(zhǎng)方形孔陣列之間的距離可以調(diào)節(jié)LSP模式之間的相互干涉和耦合作用的強(qiáng)度,從而調(diào)制超材料的電磁性質(zhì)。4.研究了介質(zhì)層的厚度和介電常數(shù)對(duì)長(zhǎng)方形孔陣列MDM超材料電磁性質(zhì)的影響。當(dāng)ε=4時(shí),超材料的低頻透射峰的振幅達(dá)到最大,達(dá)到阻抗匹配條件。隨著介質(zhì)層厚度的增加,負(fù)折射率和負(fù)折射帶寬都增大。通過運(yùn)用數(shù)值擬合方法,可知介質(zhì)層厚度與超材料的負(fù)折射率之間存在著類似線性的變化規(guī)律。5.本論文設(shè)計(jì)了一種十字-圓孔型太赫茲頻段超材料阻帶濾波器,通過該結(jié)構(gòu)是可以得到較大帶寬的阻帶的。通過計(jì)算濾波器的近場(chǎng)電場(chǎng)強(qiáng)度和電流分布強(qiáng)度,發(fā)現(xiàn)物理機(jī)制為兩種共振模式的綜合導(dǎo)致的。發(fā)現(xiàn)該濾波器對(duì)金屬材料是不敏感的但對(duì)介質(zhì)層的介電常數(shù)非常的敏感。研究了一種修改型的雙魚網(wǎng)超材料結(jié)構(gòu),得到了較大的透射帶。發(fā)現(xiàn)在透射帶內(nèi)出現(xiàn)完美阻抗匹配,導(dǎo)致了大帶寬透射帶的形成。通過增加主空氣孔的孔徑,超材料的透射帶帶寬是增加的,但平均透射率是下降的。減小介質(zhì)層的厚度,會(huì)得到更大的透射帶。最后,設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)型雙魚網(wǎng)結(jié)構(gòu)超材料帶通濾波器,并從實(shí)驗(yàn)制備和模擬兩方面驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效性。該超材料濾波器可以得到從90.0到105.0THz的可操作透射帶。主要物理機(jī)制是在透射帶范圍內(nèi)的阻抗匹配。
【圖文】：

逡逑磁導(dǎo)率和介電常數(shù)Ｅ的坐標(biāo)系，理論上可將材料大致分為四類，如圖１．２逡逑所示。其中，第一象限的材料為絕大多數(shù)的天然材料，其特點(diǎn)是材料的磁導(dǎo)率＾逡逑和介電常數(shù)Ｅ滿足大于零。位于第二象限的材料是磁導(dǎo)率＾大于零而介電常數(shù)Ｃ逡逑小于零的材料，比如等離子體Ｗ及低于等離子體頻率電磁波作用下的某些金屬材逡逑料。第四類材料為分布在第四象限的材料，其磁導(dǎo)率＾小于零而介電常數(shù)Ｅ大于逡逑零，典型的材料為鐵磁材料在磁諧振的情況下將滿足＾小于零。而本文研究涉逡逑及最多的是分布在第蘭象限的第Ｈ類材料，其磁導(dǎo)率＾和介電常數(shù)Ｓ均小于零，逡逑稱之為左手材料或者雙負(fù)材料。這種材料在自然界中并不存在，是通過人工制備逡逑方式得到，目前，研究者們正將雙負(fù)材料的研究推向太赫茲頻段和可見光頻段，逡逑而本文的研究重點(diǎn)也是關(guān)注太赫茲頻段的研究。逡逑Ａ逡逑（Ｓ邋＜邋0

光源之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，探測(cè)器得到的測(cè)量頻率（如光波頻率）會(huì)發(fā)生多普勒偏逡逑移，稱之為多普勒效應(yīng)。現(xiàn)在考慮一束光波在左手材料形成的媒介中傳播，如圖逡逑１．４所示。首先在正折射率材料傳播媒介中，如圖１．４邋（ａ）所示，為簡(jiǎn)便起見，逡逑假設(shè)光源固定不動(dòng)，頻率為０）。，，而探測(cè)器Ｗ速度Ｖ向光源運(yùn)動(dòng)，在坐標(biāo)系中為逡逑負(fù)值，而光波的速度為Ｍ，為正值，根據(jù)多普勒效應(yīng)公式可推導(dǎo)出探測(cè)器測(cè)量的逡逑頻率為：逡逑歷＝歷0（１－心）邐（１．１３）逡逑Ｕ逡逑由上面的基本設(shè)置可知，上式中－＜０，貝Ｉｊｌ－－＞１，從而可得ｃｏ＞0）。，表明測(cè)量逡逑Ｕ邐Ｕ逡逑得到的頻率要比光源的頻率大，即多普勒效應(yīng)。而在左手材料傳播媒介中，如圖逡逑１．４（ｂ）中，當(dāng)光波在左手材料中傳播，相位的傳播方向是遠(yuǎn)離探測(cè)器的方向的，逡逑即一＞０，這是材料不同導(dǎo)致的，貝Ｕ０＜１－－＜１，表明0）＜議。，測(cè)量得到的頻率逡逑比光源的頻率小，與多普勒效應(yīng)相反，即逆多普勒效應(yīng)逡逑０—邐邐邐＞ｘ逡逑圖１．４電磁波的多普勒效應(yīng)簡(jiǎn)單示意圖。其中
【學(xué)位授予單位】：南京師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：O441;TB34

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本文編號(hào)：2522051