【摘要】：超材料是一種表現(xiàn)出負折射率等特殊物理性質的具有周期或非周期性亞波長結構的人工材料。通過對超材料中的結構進行定制化的設計,可以使超材料具有常規(guī)材料所不具備的奇異物理性質。這種通過改變材料中的人造結構尺寸而對材料的性質進行定制的思路,拓展了人們對于材料的認識�；诔牧系母拍�,可以設計出各種功能性器件。例如:完美吸收體,偏振轉換器,相位延遲器等。超材料完美吸收體屬于超材料中的振幅調制器,當電磁波入射到完美吸收體表面時,反射電磁波和透射電磁波的強度均為0,意味著電磁波被材料完全吸收。超材料完美吸收體有著實際的應用價值,比如利用超材料覆蓋的機身實現(xiàn)對雷達的隱形功能。相比于傳統(tǒng)吸波器件,超材料完美吸收體有很多優(yōu)勢,例如:厚度薄,穩(wěn)定性高,可定制化設計等。在實際使用中,是否可以主動調控成為了完美吸收體能否廣泛應用的關鍵因素。實現(xiàn)可主動調控的、寬譜的超材料完美吸收體仍然是一個挑戰(zhàn)。太赫茲波是處于電磁波譜中一個特定頻率區(qū)間(0.1 THz-10 THz)的電磁波。頻率高于太赫茲波的紅外波段以及頻率低于太赫茲波的微波波段均已經(jīng)被大量研究。但是從前由于技術的原因,缺少高效的太赫茲源和相應的太赫茲探測器,這限制了太赫茲技術的相關研究。隨著超快激光器技術的進步,相應的太赫茲源以及探測器的發(fā)展,太赫茲波段的電磁波也終被人們所關注。然而,太赫茲波段主動調控功能器件的缺乏,是限制太赫茲技術進一步發(fā)展的關鍵因素之一。發(fā)展主動調控的超材料器件為太赫茲調控器件提供了絕佳的解決方案。本論文主要研究主動調控的超材料器件。首先對主動調控超材料完美吸收體進行了研究,設計并提出了兩種新穎的主動調控超材料完美吸收體結構,并且通過仿真的方式研究其吸波性能。在太赫茲超材料器件方面,設計并制作了一種太赫茲波段的超快群速度調控器件,通過實驗,仿真等手段研究了其對太赫茲群速度調控性能。本論文具體的研究工作如下:1.提出了一種主動調控和可切換頻帶的太赫茲寬譜完美吸收體。這種完美吸收體可通過溫度控制實現(xiàn)在兩個較寬頻帶之間切換的功能。為了實現(xiàn)這種功能,我們在傳統(tǒng)的完美吸收體中加入了相變材料二氧化釩,通過結構設計使得在相變溫度以上和相變溫度以下吸收體呈現(xiàn)不同的有效結構,從而實現(xiàn)切換功能。我們通過仿真的方式驗證了完美吸收體的吸收性能,并利用等效介質理論探究了完美吸收體的吸收機理。2.提出了一種基于石墨烯-介質多層結構的主動調控雙帶完美吸收體。這種結構的完美吸收體可以在兩個共振頻率處實現(xiàn)完美吸收。通過外加電壓可以調控兩個吸收峰位置。利用等離激元理論,我們研究了石墨烯-介質多層結構中電磁波的傳播,探究了這種結構具有兩個吸收峰的物理機制。同時根據(jù)石墨烯-介質多層結構中的色散關系,推導出一個可以通過石墨烯費米能級以及結構幾何參數(shù)計算吸收峰位置的經(jīng)驗公式。通過將仿真得到的吸收峰位置和經(jīng)驗公式計算出來的吸收峰位置進行比對,驗證了經(jīng)驗公式的可信度。3.設計了一種基于類電磁誘導透明、可超快調控的太赫茲波群速度延遲器。為了實現(xiàn)對群速度的超快調控,我們在傳統(tǒng)的電磁誘導透明超表面中引入磷離子P+摻雜的微米硅結構,由于離子注入的硅產(chǎn)生了大量缺陷,使得硅中光生載流子可以快速復合。我們首先通過仿真的方式研究了所設計超表面的性能,然后利用微納加工手段制作了樣品,并利用光泵浦太赫茲探測系統(tǒng)測試樣品的太赫茲波透過率隨泵浦光延遲的變化,得到了樣品對群速度調控的性能。我們還通過耦合振蕩器模型對測試結果進行擬合,進一步說明調控的物理機制。
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：O441.4;TB34
【圖文】：

而如果材料具有Ｓ＜０，ｐ＜０的性質，則這三個矢量呈現(xiàn)左手系矢量組。逡逑這導致了以下兩個結果：（１）材料中傳播的電磁波的坡印廷矢量＊５和波矢量灸的逡逑方向相反，如圖１．２所示。（２）材料的折射率ＩＩ的符號是負值。由于具有前面提逡逑到的這些奇特的性質，第三象限的材料（即ｓ＜０，ｐ＜０的材料）也被稱為左手材料，逡逑或者負折射率材料。從圖１．２中我們還可以看到當電磁波從正折射率材料入射到逡逑負折射率材料的時候，折射電磁波的坡印廷矢量和入射電磁波的坡印廷矢量在法逡逑線同側，這和我們熟知的折射現(xiàn)象不同，在這種情況下折射定律也被拓展了：逡逑（１．４）逡逑ｓｉｎ＾邋％逡逑從折射定律（１．４）可以看出，當入射到負折射率材料時，折射角是負值，這和普逡逑通情況下有很大的不同。逡逑３逡逑

Ｘ；邐＼．邐；邐＾－＞０逡逑Ｈｒ＜邐＼邐＼逡逑圖１．２電磁波從正折射率材料入射到負折射率材料界面是的折射示意圖。其中在負折射率逡逑材料中的折射波的坡印廷矢量方向和波矢量方向是相反的。逡逑１．２．邋３超材料的設計方法逡逑超材料的設計核心思想是要利用人工結構定制材料的折射率，也就是就是要逡逑設計出特殊的結構來實現(xiàn)對材料的介電常數(shù)和磁導率進行定制。在傳統(tǒng)的材料模逡逑型中，介電常數(shù)和磁導率通常是和頻率相關的，一般可以采用Ｄｒｕｄｅ－Ｌｏｒｅｎｔｚ模逡逑型來描述：逡逑�。矗蓿掊义稀鲥宥�；＋￥邋（１．５）逡逑其中（Ｏｐ代表材料等離子體震蕩頻率，（００代表材料中電子的固有共振頻率，丫代逡逑表和介質損耗有關的阻尼因子。腳標ｅ，ｍ分別代表電響應和磁響應下對應的參逡逑量。對于金屬材料來說，在低頻范圍內，金屬的介電常數(shù)通常表現(xiàn)為負數(shù)。但是逡逑另一方面自然界中的材料很少存在磁導率是負數(shù)的材料，尤其是當頻率超過太赫逡逑茲（１０１２Ｈｚ）的時候，自然界中的材料的磁響應就會變得很弱，這主要是因為磁逡逑性材料的磁極化是源自軌道自旋或者是電子自旋

年到２００５年左右，負折射效應依然是人們研究超材料的焦點方向。人們利用各逡逑種不同結構來實現(xiàn)負折射率材料，并且將負折射率材料拓展到不同頻段［１５－２１］。逡逑圖１．４（ａ）即為美國加州大學Ｓｈｅｌｂｙ教授實現(xiàn)的微波波段的負折射率超材料。圖逡逑１．４邋（ｂ）為２００６年加州大學伯克利分校的Ｚｈａｎｇ邋Ｘｉａｎｇ研宄組制作的漁網(wǎng)結構，逡逑實現(xiàn)了在近紅外波段的負折射率材料。這種結構的特點是比較簡單容易在實驗上逡逑實現(xiàn)，很多研究者對這種結構進行了更深入的研宄。圖１．４邋（ｃ）和圖１．４邋（ｄ）分逡逑別為利用諧振環(huán)結構實現(xiàn)的太赫茲波段［１５］以及紅外波段的負折射率材料［２２］。逡逑（ａ）邐（ｂ）逡逑（ｃ）邐（ｄ）邐邐邋邐逡逑．．．．．邋．．．邋．．．．．逡逑ｂｉｆｉｆｉｆｉｙ逡逑１－置一—ｍ邋ｍ一．．１逡逑■ｍｉ逡逑圖１．４邋（ａ）金屬線諧振環(huán)結構微波波段負折射率材料。（ｂ）漁網(wǎng)結構負折射率材料。（ｃ）逡逑太赫茲波段負折射率材料。（ｄ）紅外波段負折射率材料。逡逑２００５年以后人們逐漸發(fā)現(xiàn)諧振環(huán)結構有著更廣闊的應用前景。利用超材料逡逑的設計思路，改變結構的參數(shù)就可以使材料的介電常數(shù)遠大于１或者使介電常數(shù)逡逑接近于０，從此超材料不僅限于負折射率材料或者左手材料，越來越多的不同特逡逑８逡逑

【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 劉若鵬;季春霖;趙治亞;周添;;超材料:重新塑造與重新思考[J];Engineering;2015年02期

2 ;超材料研究前沿動態(tài)[J];國際學術動態(tài);2012年01期

3 周濟;李龍土;;超材料技術及其應用展望[J];中國工程科學;2018年06期

4 梁慶宣;楊貞;何錦;江子杰;陳天寧;李滌塵;;超材料結構增材制造技術及其應用研究進展[J];航空制造技術;2019年Z1期

5 陳香香;王建鋒;;精密排種器性能監(jiān)測裝置研究——基于超材料光電傳感器[J];農(nóng)機化研究;2018年01期

6 吳宗漢;徐世和;;聲學超材料與結構工程應用前景展望[J];電聲技術;2017年Z3期

7 張文毓;;超材料的研究進展與應用[J];裝備機械;2018年02期

8 黃治涵;;基于超材料的單頻層狀吸波體仿真[J];電子世界;2018年14期

9 周濟;于相龍;;智能超材料的創(chuàng)新特性與應用前景[J];中國工業(yè)和信息化;2018年08期

10 文永正;;超越天然材料的自然極限——超材料分論壇側記[J];中國材料進展;2018年09期

相關會議論文 前10條

1 張晗;楊軍;;單模寬帶的五模式超材料的仿真設計[A];2018年全國聲學大會論文集A.物理聲學（含聲超構材料）[C];2018年

2 陳軒;富明慧;胡玲玲;;正交拼接三維力學超材料的等效方法[A];2018年全國固體力學學術會議摘要集（上）[C];2018年

3 田小永;尹麗仙;李滌塵;曹毅;;超材料結構飛行器隱形設計及3D打印制造工藝探索[A];第一屆新型功能結構技術學術會議暨增材制造產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新技術論壇論文集[C];2016年

4 陳巍;高軍;曹祥玉;楊歡歡;周禹龍;韓彤;;一種極化相關的透射型超材料[A];2017年全國微波毫米波會議論文集（中冊）[C];2017年

5 陳坤;周運強;王志剛;;基于矩形波導的超材料結構吸波機理研究[A];2017年全國微波毫米波會議論文集(上冊二)[C];2017年

6 程強;趙捷;張t$;崔鐵軍;;超材料在微波及太赫茲頻段的應用[A];2017年全國微波毫米波會議論文集（下冊）[C];2017年

7 胡更開;;電磁/聲波超材料及對波傳播控制的理論與實驗研究[A];中國力學學會學術大會'2009論文摘要集[C];2009年

8 劉亞鋒;周蕭明;胡更開;;彎曲波在薄板超材料中的傳播特性研究[A];北京力學會第18屆學術年會論文集[C];2012年

9 周蕭明;胡更開;;聲波超材料超分辨成像的理論與實驗研究[A];中國力學大會——2013論文摘要集[C];2013年

10 方偉;龐曉宇;樊迪剛;劉曉春;伍瑞新;陳平;;基于螺繞環(huán)結構單元的寬帶強吸波立體超材料[A];2019年全國微波毫米波會議論文集（下冊）[C];2019年

相關重要報紙文章 前10條

1 記者 張夢然;多向晶格+3D打�。喝氯嗽斐牧陷p便又堅固[N];科技日報;2019年

2 許sシ

本文編號：2754776