【摘要】：超材料作為由亞波長結構單元組成的人工復合材料,因其具備諸多自然材料所不具備的奇異物理特性而受到科學界的廣泛關注。它的出現(xiàn)打破了傳統(tǒng)材料設計思維的局限性,為在微納尺度操控電磁波提供了新的范式�；谛路f的微納米加工技術,本文設計并制造了一系列平面和三維超材料結構,通過利用超材料的電磁諧振特性實現(xiàn)了對電磁波的頻譜、相位和自旋光的有效調控,并對相應的光學調控機理進行了深入的研究。論文的主要內容如下:一、研制了一種以鏡像對稱連通劈裂諧振環(huán)為基本單元的新型太赫茲超材料,實現(xiàn)了具有大調制深度的高品質因子束縛共振模激發(fā)。利用時域有限差分理論方法,模擬了鏡像超材料在太赫茲波段的電磁響應特性,并闡述了這種超材料的電磁諧振響應機理。研究結果表明,超高品質因子諧振發(fā)生在Wood-Rayleigh異常頻率附近,在響應頻率0.71 THz處,束縛諧振模的品質因子高達60,比傳統(tǒng)的超材料高出一個數量級。其機理歸因于:周期性陣列中產生的面內傳播的集體晶格表面共振模與鏡像對稱連通劈裂諧振環(huán)的局域表面等離激元共振之間的強耦合,顯著地提高太赫茲波與超材料結構的耦合效率并極大地降低了輻射阻尼;同時連通劈裂諧振環(huán)的鏡像耦合極大地抑制體系的輻射損耗,從而導致了高品質因子諧振。這種具有超高品質因子諧振的鏡像對稱超材料在高性能窄帶濾波器、高靈敏度生物化學傳感器、光調制器,等離激元開關和低功耗非線性處理器中具有廣泛的應用前景。二、制備了一種由鏡像對稱破缺雙劈裂諧振環(huán)陣列組成的太赫茲超材料,實現(xiàn)了多個超高品質因子諧振響應。在鏡像對稱排布的劈裂諧振環(huán)陣列中,與劈裂諧振開口垂直的外場只能激發(fā)結構的偶極子諧振。通過打破鏡像排列劈裂諧振環(huán)的對稱性,我們在透射譜中觀察到兩個超高品質因子諧振,其中一個是束縛諧振模,另一個是八極子諧振模。束縛諧振模的品質因子與超材料的非對稱參數有線性依賴關系,而八極子諧振模的品質因子與超材料的非對稱參數呈指數依賴關系。在特定的對稱破缺參數條件下,八極子諧振模的品質因子可以超過100,比傳統(tǒng)超材料高出一個數量級。這些具有多個高品質因子諧振響應的超材料為設計超靈敏的化學和生物傳感器、高性能窄帶濾波器和光電探測器等提供了新的思路。三、證明了一種利用超精細太赫茲超材料實現(xiàn)多頻譜等離激元誘導透明的方法。這種超精細太赫茲超材料的特征尺寸比傳統(tǒng)的太赫茲超材料小一個數量級。數值模擬和實驗測量結果表明,這種超精細太赫茲超材料能實現(xiàn)兩個和三個等離激元誘導透明窗口,每個透明窗口處提供了巨大的群延遲,顯著降低了相應頻段太赫茲波的群速度。其中,亮�？梢苑謩e與每個準暗模獨立地耦合,激發(fā)等離激元誘導透明窗口。這使得精確地控制透射太赫茲波的群速度和延遲帶寬成為可能。這種超精細太赫茲超材料可以應用于光開關、光數據存儲、量子計算和太赫茲通信等領域。四、利用聚焦離子束應變誘導的三維折疊微納米結構加工技術制備了一種新奇三維環(huán)磁超材料�；谶@種三維折疊超材料,實現(xiàn)了由表面等離激元誘導的環(huán)磁偶極共振響應,并且在紅外波段同時觀測到了多個具有高品質因子的環(huán)磁偶極共振現(xiàn)象。在環(huán)磁偶極諧振頻率處,亞波長三維結構中出現(xiàn)了緊束縛磁渦旋。這種具有高品質因子環(huán)磁偶極諧振的超材料在超靈敏生物化學傳感器傳感器、光調制器、窄帶濾波器、非線性光學和低閾值等離激元激光等領域具有廣泛應用前景。五、研制了一種具有強本征三維手性的折疊超表面,在紅外波段實現(xiàn)了自旋光的分辨和選擇性透射。這種由反鏡像對稱劈裂諧振環(huán)折疊而成的三維結構能夠選擇性的透射一個自旋態(tài)的圓偏振光,而使得另一個自旋態(tài)的圓偏振光被反射或吸收。隨著折疊角度的優(yōu)化,這種折疊超表面在紅外波段的圓二色性值高達0.7,并且對應自旋圓偏振光的最大透過率大于92%;其本征手性光學響應主要來源于磁電耦合、環(huán)磁偶極和電四極共振共同作用。這種折疊超表面可以應用于一系列新型光子自旋選擇器件。六、研制了一種能夠在多個頻段實現(xiàn)自旋光的選擇性傳輸的折疊η形超表面。通過沿垂直方向折疊形超表面,從而打破空間的鏡面對稱性,實現(xiàn)了本征手性構型。實驗結果表明,這種折疊η形超表面的圓二色性高達0.8,且相應自旋圓偏振光的透射率超過了93%。折疊η形超表面為本征三維手性的實現(xiàn)和調控提供了一種直接的策略,而且在光子自旋選擇器件和手性生物分子鑒定方面有重要的應用價值。
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圖 1.1 電磁波譜示意圖Figure 1.1 Electromagnetic spectrum diagram電磁波是由同相位且互相正交的電場和磁場產生的振蕩粒子波，在空間中以波的形式傳遞動量和能量。按照頻率范圍電磁波可分為不同的頻帶，，頻率從低到高依次可以分為無線電波、微波、太赫茲波、紅外光、可見光、紫外線、X 射線和伽馬射線等。不同頻率的電磁波的產生方式、與物質相互作用的方式、以及應用領域都不相同。例如：無線電波一般用于通信領域；微波用于雷達和衛(wèi)星通信以及微波加熱等；紅外光通常用于遙感、熱成像、制導等，可見光用于成像和觀測等；紫外線用于殺毒消菌和光刻等；X 射線用于醫(yī)學成像診斷、治療和晶體學分析等；伽馬射線用于工業(yè)檢測和醫(yī)療等。描述電磁波固有屬性的主要參量包括：頻率、振幅、相位、偏振態(tài)等。通過對電磁波的屬性參量進行有效控制，可以調控電磁波的傳播方式和傳播狀態(tài)，實現(xiàn)各種信息功能器件。

圖 1.2 (a)由劈裂諧振環(huán)和金屬構成的左手超材料；(b)實驗觀測到的負折射現(xiàn)象[19]Figure 1.2 (a) Left-handed metamaterial composed of split resonant rings and metals wires (b)Experimentally observed negative refraction by the left-handed metamaterial[19]通過調控等效介電常數和磁導率，還可以實現(xiàn)對電磁波的傳播路徑的控制，使得電磁波繞過障礙物體而繼續(xù)傳播，這就是電磁隱身材料的基本原理。2006年美國杜克大學D. R. Smith教授和J.B. Pendry教授等人基于變換光學的理論[27]，設計并制造了由一系列劈裂諧振環(huán)陣列按照特定空間順序組裝而成的人工超材料，在微波頻段實現(xiàn)二維柱狀的“隱身斗篷”[28]，如圖 1.3 所示。相關研究成果發(fā)表在《Science》雜志上，并被評為 2006 年世界十大科技進展。
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：O441.4;TB34

【參考文獻】

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1 劉盛綱;;太赫茲科學技術的新發(fā)展[J];中國基礎科學;2006年01期

本文編號：2605007