隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,超材料在電子對抗、電子、成像領(lǐng)域初露鋒芒。超材料可以實現(xiàn)很多不可思議的用途,例如超透鏡,光學(xué)隱身,光子電路。從軍事到工業(yè),再到生活消費等各個領(lǐng)域,超材料都將產(chǎn)生顛覆式的應(yīng)用。超材料中有一部分材料是金屬納米復(fù)合材料,這些材料的光學(xué)特性往往會受到金屬納米顆粒的形狀、體積分?jǐn)?shù)、尺寸和填充介質(zhì)影響。通常研究金屬納米復(fù)合材料光學(xué)特性的方法是利用等效介質(zhì)理論將其等效成均勻介質(zhì)。為了能夠有效的描述等效均勻介質(zhì),需要使用表征電磁波與介質(zhì)相互作用的物理量——介電常數(shù)。首先,選用MG理論建立了氧化鋁基銀納米棒陣列的局域等效介質(zhì)模型,通過拉普拉斯方程和電磁場邊界連續(xù)性條件解出了等效介質(zhì)中的各項等效介電常數(shù)。從麥克斯韋方程組出發(fā)研究了等效介質(zhì)內(nèi)部波矢與等效介電常數(shù)關(guān)系,表明一定條件下TE波或TM波入射到等效介質(zhì)中不會產(chǎn)生雙折射效應(yīng),在此基礎(chǔ)之上提出了由反射率和透射率計算等效介電常數(shù)的方法。其次,在COMSOL里建立了氧化鋁基銀納米棒陣列模型,利用COMSOL對氧化鋁基銀納米棒陣列的透射率譜和反射率譜進(jìn)行了仿真計算。結(jié)果表明MG理論計算垂直于晶軸方向的等效介電常數(shù)較為準(zhǔn)確,沿晶軸方向的等效介... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

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【學(xué)位級別】：碩士

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人工超材料設(shè)計的成像[17]

哈爾濱工業(yè)大學(xué)理學(xué)碩士學(xué)位論文3納米金屬棒介質(zhì)，特別是嵌入某些電介質(zhì)材料基質(zhì)中的金屬棒，是另一種流行的超材料結(jié)構(gòu)[18]。近幾十年來，無論是在理論上還是在實驗上，它都得到了廣泛的研究。如圖1-2所示，ShenNH等人利用有效介質(zhì)理論系統(tǒng)地研究了平行和垂直構(gòu)型下金屬介電層堆疊和線狀介質(zhì)的兩種最簡單的超材料結(jié)構(gòu)，并通過分析推導(dǎo)和數(shù)值模擬，提供了構(gòu)造和設(shè)計介電常數(shù)趨于0超材料的選擇方案[19]。圖1-2電介質(zhì)材料介電常數(shù)為12+0.01i。(a)金屬介電常數(shù)與介質(zhì)中金屬的占空比；(b)x方向介電常數(shù)實部隨金屬介電常數(shù)的變化；(c)z方向介電常數(shù)虛部隨金屬介電常數(shù)的變化；(d)x方向介電常數(shù)虛部隨金屬介電常數(shù)的變化[19]。KimK等人用等效分層結(jié)構(gòu)從理論上研究了雙曲超材料中發(fā)生的模式轉(zhuǎn)換和共振吸收現(xiàn)象[20]，如圖1-3所示。KimK研究中已經(jīng)考慮了介電常數(shù)不對稱情況，即介質(zhì)的光軸相對于入射表面傾斜。當(dāng)傾斜角為零時，如果介電常數(shù)張量的縱向分量在介質(zhì)內(nèi)從正值變化到負(fù)值，此時介質(zhì)內(nèi)內(nèi)部會發(fā)生模式轉(zhuǎn)換(由T模轉(zhuǎn)變?yōu)長模，T模與橫向等離子體振蕩有關(guān))，而橫向等離子體振蕩與模式轉(zhuǎn)換過程無關(guān)(L模中仍包含橫向等離子體振蕩)。當(dāng)傾斜角不為零時，發(fā)現(xiàn)在入射角的符號變化下，透射率和吸收率的曲線可以是不對稱的，而反射率曲線則總是對稱的。KimK使用不變嵌入方法計算了介電常數(shù)張量的三種構(gòu)型的反射率，透射率和吸收率，發(fā)現(xiàn)在入射表面是雙曲介質(zhì)時，波長在L共振區(qū)域的

哈爾濱工業(yè)大學(xué)理學(xué)碩士學(xué)位論文4的情況下，光吸收會大大增強。圖1-3吸收率反射率透射率隨角度變化，光軸相對于入射表面傾斜30°，介質(zhì)厚度分別為0.5倍波長，1倍波長，5倍波長，20倍波長[20]。1.2.2局域等效介質(zhì)理論的發(fā)展及其應(yīng)用入射波波長在某些特定頻率下照射納米金屬材料時，納米金屬顆粒會產(chǎn)生表面等離子體共振效應(yīng)，等離子體共振效應(yīng)會在一定程度上強化材料對入射光的吸收[21]。受局域表面等離子體共振效應(yīng)的影響，如果在其他介質(zhì)中嵌入了納米金屬顆粒，就得到了納米復(fù)合介質(zhì)。納米復(fù)合介質(zhì)在許多不同的領(lǐng)域有著卓越的應(yīng)用。例如，在太陽能電池中使用納米復(fù)合介質(zhì)可以提高光吸收率[22]；在有機污染物分解時可以提高光催化率[23]；同時也可以用于構(gòu)建可調(diào)控光吸收電磁特異材料等[24]。局域表面等離子體共振峰的寬度和對應(yīng)波段與納米金屬顆粒的形狀[25]、體積分?jǐn)?shù)[26]、尺寸[27]以及填充介質(zhì)的介電常數(shù)[28]均有關(guān)系。因此含有納米金屬顆粒的超材料中，納米金屬顆粒的大孝結(jié)構(gòu)、形態(tài)及填充介質(zhì)的分布狀態(tài)都會對超材料的光學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響，這也使得理論上計算超材料的透射率和反射率變得十分復(fù)雜。為了解決超材料研究過程中透射率和反射率的計算問題，常用的方法是將超材料等效為一均勻介質(zhì)，該均勻介質(zhì)與原超材料具有相同的光學(xué)性質(zhì)。為了能夠有效的定義等效的均勻介質(zhì)，需要使用表征入射電磁波與介質(zhì)相互作用的物理量——介電常數(shù)。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]電磁防護超材料在國防領(lǐng)域中的應(yīng)用與前景展望[J]. 李寶毅,趙亞娟,王蓬,周必成,張澤奎.  電子元件與材料. 2019(05)
[2]含橢球納米顆粒復(fù)合介質(zhì)的等效介電常數(shù)[J]. 李鼎,李佳玉.  航空動力學(xué)報. 2019(03)
[3]基于復(fù)折射率的偏振模型及其應(yīng)用[J]. 馬利祥,李范鳴,牛繼勇,丁雷.  激光與紅外. 2013(10)
[4]光在金屬界面的傳輸特性研究[J]. 顧聞,鄔云驊,陳岳瑞,戴仲鴻,周薇溪,鄭玉祥,陳良堯.  紅外與毫米波學(xué)報. 2009(01)

碩士論文
[1]光纖表面等離子體共振折射率傳感研究[D]. 張敏.西安石油大學(xué) 2019
[2]人工超材料光傳輸特性的研究[D]. 趙思聰.電子科技大學(xué) 2013



本文編號：2915978