發(fā)布時間：2019-07-26 14:08

【摘要】：新型人工電磁材料(Metamaterials)于20世紀六十年代,由前蘇聯(lián)物理學家Veselago在理論上提出,后經(jīng)一系列科學實驗所實現(xiàn),由于其能夠?qū)崿F(xiàn)自然界常規(guī)材料所不具備的奇異電磁特性而得到廣泛關注,在近十幾年中成為了物理學、尤其是電磁學領域的研究熱點�！笆中浴苯Y構與超材料的結合,以及超材料中的Fano諧振等,使得近年來超材料可以廣泛地與不同的研究方向有機結合,形成諸多全新的交叉研究領域。“手性”用來描述物體的幾何對稱性,當物體結構自身缺乏幾何對稱性,即自身結構無法與其鏡像重合時,該物體結構稱為“手性”結構。N.Zheludev等人于2006年在研究平面手性超材料時發(fā)現(xiàn)了一個新的、重要的、可導致宏觀的非對稱傳輸?shù)碾姶艑W效應-圓轉換二向色性。非對稱線型的Fano諧振自1961年被發(fā)現(xiàn)以來,它已經(jīng)成為量子體系中描述相互作用的最重要的性質(zhì)之一。超材料中的Fano諧振具有陡峭的色散特性,在一定條件下可類似于量子系統(tǒng)的電磁誘導透明現(xiàn)象(electromagnetically-induced transparency,EIT),令其在眾多方面具有潛在應用,如傳感、開關、非線性、慢光、有源器件等。本論文利用理論分析結合實驗驗證的方法,研究了平面超材料的Fano諧振及其手性特性,為實現(xiàn)基于平面超材料的超薄的多頻段偏振功能器件提供了重要的理論及實驗參考。在通過對新型人工電磁材料的奇異物理特性以及其發(fā)展歷程、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行了詳細了解的基礎上,論文工作主要包含如下3方面:1.設計了一種基于全金屬結構的平面超材料,其目的是為了克服了有基底的平面超材料的損耗等問題。利用仿真計算及實驗測試等手段,詳細的研究了此超材料的Fano諧振的產(chǎn)生機理,并分析討論了平面超材料的環(huán)孔的非對稱度及結構參數(shù)對其Fano諧振特性的影響,且樣品的實驗測試結果的曲線形狀與仿真結果基本吻合;2.對于本課題中提出的全金屬平面超材料,在入射波傾斜入射的情況下可以表現(xiàn)出外致手性,與非對稱分裂環(huán)孔相平行和垂直的兩正交線性偏振態(tài)間將出現(xiàn)耦合,其耦合的強度與入射波的傾斜角度有關,且當入射波的傾斜角大于50°時,平面超材料的兩正交線偏振態(tài)間出現(xiàn)強耦合,進而導致了極強的手性特性,線偏振轉換傳輸比率曲線出現(xiàn)了單峰分裂的情況,這種情況目前在他人的工作中尚未見報道。利用仿真計算及實驗測試等手段,詳細的研究了此超材料的線偏振轉換特性,并分析討論了平面超材料的環(huán)孔的非對稱度及結構參數(shù)對其線偏振轉換特性的影響,且樣品的實驗測試結果的曲線形狀與仿真結果基本吻合;3.對于具有非對稱分裂環(huán)孔的全金屬平面超材料及工作于太赫茲波段的單層平面手性超材料的圓偏振傳輸特性進行了詳細的分析討論。研究表明,具有非對稱分裂環(huán)孔的全金屬平面超材料,可以利用圓偏振波的傾斜入射來形成圓偏振片的功能,且樣品的實驗測試結果的曲線形狀與仿真結果基本吻合;而工作于太赫茲波段的單層平面手性超材料,可以利用外部泵浦光源強度的動態(tài)調(diào)節(jié)來實現(xiàn)兩諧振峰間的良好的開關切換效果,有望利用此超材料制作出工作太赫茲波段的超材料開關器件,為圓偏振波傳輸?shù)膭討B(tài)控制提供了新的可能途徑。
【圖文】：

第１章緒論逡逑一面印制了銅線，而在另一面印制了周期性諧振裂環(huán)。可以把上述單元結構排列成二維逡逑陣列即形成整個材料，如圖１．２（ｂ）所示。逡逑（ａ＼邋Ｉ邋｜邐｜邐１邋（ｂ）逡逑．ｉｌｌ邋ｌｌｌｌ逡逑ＰｆｆＰ邋＿邋ｇ逡逑圖１．１邋Ｐｅｎｄｒｙ教授設計的單負介電常數(shù)和單負磁導率材料結構逡逑（ａ）可實現(xiàn)單負介電常數(shù)的金屬棒結構（ｂ）可實現(xiàn)單負磁導率的開口諧振環(huán)結構逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｏｆ邋ｎｅｇａｔｉｖｅ邋ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ邋ａｎｄ邋ｐｅｎｎｅａｂｉｌｉｔｙ邋ｍａｔｅｒｉａｌ，邋ｄｅｓｉｇｎｅｄ邋ｂｙ邋Ｊ．邋Ｂ．邋Ｐｅｎｄｒｙ逡逑（ａ）邐Ｎｅｇａｔｉｖｅ邋ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ邋ｍａｔｅｒｉａｌ邋ｆｏｒｍｅｄ邋ｂｙ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋Ｒｏｄｓ；逡逑（ｂ）邐Ｎｅｇａｔｉｖｅ邋ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ邋ｍａｔｅｒｉａｌ邋ｆｏｒｍｅｄ邋ｂｙ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ＳＲＲｓ；逡逑Ｓｍｉｔｈ等人基于此左手材料設計了楔形棱鏡，實驗觀測發(fā)現(xiàn)光線入射到該棱鏡后，逡逑折射光線與入射光線在法線的同一側。利用Ｓｎｅｌｌ定律可以證明該棱鏡的折射率為負，即逡逑電磁波在該材料中傳輸時，電磁波波矢Ａ：、電場五和磁場／／之間滿足“左手定律”，因此逡逑人工材料的左手特性（負折射）得以通過實驗證實［１５］。逡逑（ａ）邐＾邐（ｂ）逡逑＾邋Ｉ邋ｇｊｌｌｌ逡逑圖１．２邋Ｓｍｉｔｈ教授設計的左手材料：逡逑（ａ）—維左手材料邐（ｂ）二維左手

第１章緒論逡逑一面印制了銅線，而在另一面印制了周期性諧振裂環(huán)。可以把上述單元結構排列成二維逡逑陣列即形成整個材料，如圖１．２（ｂ）所示。逡逑（ａ＼邋Ｉ邋｜邐｜邐１邋（ｂ）逡逑．ｉｌｌ邋ｌｌｌｌ逡逑ＰｆｆＰ邋＿邋ｇ逡逑圖１．１邋Ｐｅｎｄｒｙ教授設計的單負介電常數(shù)和單負磁導率材料結構逡逑（ａ）可實現(xiàn)單負介電常數(shù)的金屬棒結構（ｂ）可實現(xiàn)單負磁導率的開口諧振環(huán)結構逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｏｆ邋ｎｅｇａｔｉｖｅ邋ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ邋ａｎｄ邋ｐｅｎｎｅａｂｉｌｉｔｙ邋ｍａｔｅｒｉａｌ，邋ｄｅｓｉｇｎｅｄ邋ｂｙ邋Ｊ．邋Ｂ．邋Ｐｅｎｄｒｙ逡逑（ａ）邐Ｎｅｇａｔｉｖｅ邋ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ邋ｍａｔｅｒｉａｌ邋ｆｏｒｍｅｄ邋ｂｙ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋Ｒｏｄｓ；逡逑（ｂ）邐Ｎｅｇａｔｉｖｅ邋ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ邋ｍａｔｅｒｉａｌ邋ｆｏｒｍｅｄ邋ｂｙ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ＳＲＲｓ；逡逑Ｓｍｉｔｈ等人基于此左手材料設計了楔形棱鏡，，實驗觀測發(fā)現(xiàn)光線入射到該棱鏡后，逡逑折射光線與入射光線在法線的同一側。利用Ｓｎｅｌｌ定律可以證明該棱鏡的折射率為負，即逡逑電磁波在該材料中傳輸時，電磁波波矢Ａ：、電場五和磁場／／之間滿足“左手定律”，因此逡逑人工材料的左手特性（負折射）得以通過實驗證實［１５］。逡逑（ａ）邐＾邐（ｂ）逡逑＾邋Ｉ邋ｇｊｌｌｌ逡逑圖１．２邋Ｓｍｉｔｈ教授設計的左手材料：逡逑（ａ）—維左手材料邐（ｂ）二維左手
【學位授予單位】：哈爾濱工程大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O441.6

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本文編號：2519600