【摘要】：為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的操控,人們利用自然界中性能各異的材料設(shè)計(jì)了各種各樣的人工結(jié)構(gòu)材料,比如光纖、衍射光柵和光子晶體等。2000年以來(lái),一種被稱為超材料(Metamaterials)的人工材料迅速成為國(guó)內(nèi)外物理學(xué)研究的熱點(diǎn),其研究范圍已涉及到材料科學(xué)、光學(xué)以及納米科學(xué)等。超材料是一種人為設(shè)計(jì)的周期性結(jié)構(gòu)材料,并在遠(yuǎn)大于周期的波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有某種自然界中不存在或構(gòu)成材料不具備的特性。 手性是指物體與其鏡像不能重合的特性。手性材料的旋光性已應(yīng)用于光譜學(xué)、分析化學(xué)、結(jié)晶學(xué)、分子生物學(xué)等領(lǐng)域。通過(guò)具體設(shè)計(jì),手性同樣能夠存在于超材料中。手性超材料不僅相對(duì)于自然手性媒質(zhì)具有更強(qiáng)的旋光性,還可以產(chǎn)生在自然手性媒質(zhì)中不存在的負(fù)折射率和圓轉(zhuǎn)換二向色性等新特性。隨著手性超材料的設(shè)計(jì)越來(lái)越多,目前有必要系統(tǒng)地分析手性超材料的圓二向色性和圓轉(zhuǎn)換二向色性出現(xiàn)的條件,提供手性超材料的設(shè)計(jì)原理,并且最終用于設(shè)計(jì)實(shí)際所需的圓偏振態(tài)控制器件。 本論文首先分別分析了基于螺旋和不對(duì)稱雙開(kāi)口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的手性超材料的圓二向色性和圓轉(zhuǎn)換二向色性,并分別在光波段和微波段進(jìn)行了試驗(yàn)研究,其中,螺旋超材料利用激光直寫系統(tǒng)和電化學(xué)沉積制備,而不對(duì)稱雙開(kāi)口諧振環(huán)利用傳統(tǒng)光刻技術(shù)制備：其次,在總結(jié)了本文中的內(nèi)容和近年來(lái)手性超材料的研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上,本論文分析了具有各種對(duì)稱性的手性超材料不同的圓偏振特性；然后進(jìn)一步分別總結(jié)了實(shí)現(xiàn)圓二向色性和圓轉(zhuǎn)換二向色性的完備條件；最后,根據(jù)文中的分析總結(jié),本論文提出了同時(shí)具有圓二向色性和圓轉(zhuǎn)換二向色性的手性超材料,其能實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)換率的線偏振電磁波向圓偏振電磁波的轉(zhuǎn)換。本文的主要研究成果如下： (1)研究了手性超材料的圓二向色性。對(duì)于螺旋超材料,第一,設(shè)計(jì)了基于橢圓螺旋超材料的橢圓偏振器,擴(kuò)寬了螺旋超材料的適用范圍。第二,提高了單螺旋超材料的信噪比。該結(jié)果可用于光波段的橢圓偏振器和圓偏振器；對(duì)于雙層不對(duì)稱雙開(kāi)口諧振環(huán),設(shè)計(jì)了兩種具有這一圓二向色性的雙層結(jié)構(gòu),該結(jié)果可應(yīng)用為微波段的圓偏振器： (2)研究了螺旋超材料的圓轉(zhuǎn)換二向色性。發(fā)現(xiàn)了左旋右旋組合螺旋超材料在紅外波段具有寬帶的圓轉(zhuǎn)換二向色性,并通過(guò)紅外波段的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。該結(jié)構(gòu)可用于光波段的圓偏振轉(zhuǎn)換器； (3)研究了雙層不對(duì)稱雙開(kāi)口諧振環(huán)的圓轉(zhuǎn)換二向色性。設(shè)計(jì)了兩種雙層結(jié)構(gòu),它們的圓轉(zhuǎn)換二向色性遠(yuǎn)強(qiáng)于單層不對(duì)稱雙開(kāi)口諧振環(huán)。該結(jié)構(gòu)可用于微波段的圓偏振轉(zhuǎn)換器； (4)分析并總結(jié)了具有各種對(duì)稱性的手性超材料的傳輸矩陣、本征偏振態(tài)和圓偏振特性,為今后的手性超材料的設(shè)計(jì)提供了參考和依據(jù)；并總結(jié)了圓二向色性和圓轉(zhuǎn)換二向色性各自出現(xiàn)的必要條件,以及它們各自單獨(dú)存在的必要條件； (5)根據(jù)手性超材料圓偏振特性的出現(xiàn)條件設(shè)計(jì)了同時(shí)具有圓二向色性和圓轉(zhuǎn)換二向色性的雙層不對(duì)稱雙開(kāi)口諧振環(huán),其具有高的線偏振電磁波轉(zhuǎn)換為圓偏振電磁波的轉(zhuǎn)換率。該結(jié)構(gòu)可用于微波段的線偏振向圓偏振的轉(zhuǎn)換器。 本文中所介紹的手性超材料可用作窄帶或?qū)拵У膱A偏振器,橢圓偏振器,圓偏振轉(zhuǎn)換器,線偏振轉(zhuǎn)圓偏振轉(zhuǎn)換器。它們可以在全光信號(hào)處理、集成光學(xué)、雷達(dá)技術(shù)、天線技術(shù)中起到調(diào)控電磁波的偏振態(tài)的作用,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)基于電磁波偏振態(tài)的傳感、信息傳播、探測(cè)與顯示等功能。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：O436.3

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