【摘要】：過去數(shù)十年,基于超材料對電磁波強(qiáng)大的控制能力,人們不斷探索其在光學(xué)功能器件上的應(yīng)用,如吸收器、調(diào)制器和偏振控制器件等。作為超材料“家族”的成員,雙曲色散和平面超材料的出現(xiàn)吸引了人們的廣泛關(guān)注�；谄洫�(dú)特的光學(xué)特性,雙曲色散和平面超材料在眾多領(lǐng)域都擁有潛在的應(yīng)用前景,其中包括亞波長成像、自發(fā)輻射增強(qiáng)和波前控制等。本文研究了基于雙曲色散和平面超材料的光學(xué)器件,其中包括基于雙曲色散超材料(HMM)的寬頻吸收器和波前控制器件,以及基于平面超材料的慢光和艾里光束產(chǎn)生器,其主要內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下:(1)在基于HMM的寬頻吸收器的研究中,針對單一尺寸的HMM吸收器工作帶寬的限制,本文提出通過將多個(gè)不同尺寸的HMM波導(dǎo)陣列進(jìn)行級聯(lián)的方式可以極大地拓寬吸收器的工作帶寬。在光波吸收器的研究中,提出將3個(gè)不同尺寸漸變寬度的HMM波導(dǎo)級聯(lián)在一起組成一個(gè)新的吸收器單元,其中每一個(gè)HMM波導(dǎo)都工作于不同的寬頻波段。數(shù)值仿真表明該吸收器的工作頻帶可以覆蓋1-30THz且整體的吸收效率保持在80%以上。在微波吸收器的研究中,提出將兩個(gè)不同尺寸漸變寬度的HMM波導(dǎo)級聯(lián)在一起組成新的吸收器單元,此時(shí)每一個(gè)HMM波導(dǎo)對應(yīng)的吸收波段將級聯(lián)在一起從而有效地拓寬吸收器的工作波段。數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)測試的結(jié)果表明該設(shè)計(jì)方案可以消除單一尺寸漸變寬度的HMM波導(dǎo)陣列中對應(yīng)的低吸收波段,從而極大地拓寬吸收帶寬,其吸收頻帶覆蓋2.3-40GHz。(2)在基于HMM的波前控制器件的研究中,本文提出利用HMM波導(dǎo)對電磁波相位和振幅調(diào)控的機(jī)制設(shè)計(jì)高效透射式的波前控制器件,包括波束偏轉(zhuǎn)器、聚焦透鏡和空間艾里波束產(chǎn)生器。本文首先研究了HMM波導(dǎo)陣列支持的模式特性,在此基礎(chǔ)上研究了HMM波導(dǎo)對電磁波振幅和相位調(diào)控的機(jī)制。針對圓偏電磁波,我們在微波波段設(shè)計(jì)并制備了波束偏轉(zhuǎn)器和聚焦透鏡,實(shí)驗(yàn)測試的結(jié)果可以很好地吻合數(shù)值仿真的結(jié)果。不同于傳統(tǒng)的介質(zhì)超表面和等離子體超表面結(jié)構(gòu),該方案既不需要高折射率材料也不基于等離子體共振的機(jī)制。通過減小HMM器件的尺寸,此方案可以延伸至光波頻段。我們在波長1550nm處進(jìn)一步設(shè)計(jì)了光束偏轉(zhuǎn)器和聚焦透鏡。對于光束偏轉(zhuǎn)器,其在1550nm波長處實(shí)現(xiàn)了95.1%的衍射效率和77.9%的轉(zhuǎn)化效率。此結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單層的等離子體超表面,同時(shí)可比擬近年來報(bào)道的高深寬比的介質(zhì)超表面。針對線偏電磁波,我們在微波波段設(shè)計(jì)并制備了空間艾里波束產(chǎn)生器。通過模擬仿真和實(shí)驗(yàn)測試證實(shí)了該空間艾里波束產(chǎn)生器的有效性,并對其產(chǎn)生的空間艾里波束的光學(xué)特性進(jìn)行了相應(yīng)的研究。(3)在基于石墨烯平面超材料的慢光器件的研究中,針對金屬/電介質(zhì)表面支持的表面等離激元(SPP)慢光的固有限制,即窄帶、不可調(diào)的限制,本文提出了一種新型的“彩虹捕獲”結(jié)構(gòu),即傾斜硅襯底上的二氧化硅-石墨烯-二氧化硅波導(dǎo)。在石墨烯寬頻慢光器件的研究中,石墨烯SPP的色散可以通過對其化學(xué)勢的調(diào)節(jié)而進(jìn)行調(diào)控。通過在硅襯底和石墨烯之間施加一定的偏壓,石墨烯的化學(xué)勢沿SPP的傳播方向連續(xù)變化,從而可以實(shí)現(xiàn)SPP色散的連續(xù)調(diào)控�；谟邢拊惴ǖ臄�(shù)值仿真證實(shí)該結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)143-180.8THz的寬頻慢光效應(yīng),同時(shí)慢光的群速度可以降低至空氣中光速的千分之一�；谑┛烧{(diào)的光學(xué)特性,該結(jié)構(gòu)可通過增大偏壓的方式實(shí)現(xiàn)局域SPP的動態(tài)“釋放”。(4)在基于金屬超表面的艾里光束產(chǎn)生器的研究中,針對表面艾里光束產(chǎn)生器存在的偏振依賴性的問題,本文提出了一種新型的超表面結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)偏振可控的艾里光束產(chǎn)生器。我們研究了超表面單元(成對的納米狹縫共振器)在線偏光和圓偏光入射下對激發(fā)的SPP的相位調(diào)控的機(jī)制。利用此相位調(diào)控的機(jī)制,本文設(shè)計(jì)了偏振可控的艾里光束產(chǎn)生器�；跁r(shí)域有限差分方法的數(shù)值仿真表明該超表面結(jié)構(gòu)可以在不同的偏振態(tài)下實(shí)現(xiàn)艾里SPP的產(chǎn)生,其中包括x方向線偏振、y方向線偏振、左旋圓偏振以及右旋圓偏振。除此以外,我們研究了艾里SPP的光學(xué)特性,包括非衍射、自愈合以及自聚焦的特性。
【圖文】：

科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 可以將金屬的等離子共振頻率降低至微波波段，電常數(shù)。而關(guān)于負(fù)磁導(dǎo)率的實(shí)現(xiàn)，1999 年 J. B. 結(jié)構(gòu)，通過此結(jié)構(gòu)引入磁共振從而實(shí)現(xiàn)對磁導(dǎo)率1 年，美國科學(xué)家 D. R. Smith 提出將截?cái)嗟慕饘俚膩啿ㄩL單元結(jié)構(gòu)，在同一頻率處通過金屬導(dǎo)時(shí)實(shí)現(xiàn)負(fù)的介電常數(shù)和負(fù)的磁導(dǎo)率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)成果首次在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了負(fù)折射率的存在，引起了率超材料的研究進(jìn)入了一個(gè)新的階段，人們不超材料[5-8]。

環(huán)的磁共振同時(shí)實(shí)現(xiàn)負(fù)的介電常數(shù)和負(fù)的磁導(dǎo)率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)負(fù)折射率[4]示。該研究成果首次在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了負(fù)折射率的存在，引起了人們的廣泛，關(guān)于負(fù)折射率超材料的研究進(jìn)入了一個(gè)新的階段，人們不斷設(shè)計(jì)出工段的負(fù)折射率超材料[5-8]。圖 1-1 以立方晶格排列的金屬導(dǎo)線陣列結(jié)構(gòu)示意圖 (圖片引自文獻(xiàn)[2])。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O511.3;TH74

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3 許sシ，

本文編號：2679561