超構(gòu)表面（Metasurface）是一種新興的亞波長人工電磁結(jié)構(gòu),其特征尺寸小于與之作用的電磁波波長。通過人工設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)排布方式和材料組成,超構(gòu)表面可以在二維尺度上實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)天然材料與復(fù)合材料難以實(shí)現(xiàn)的異常電磁響應(yīng),將人類調(diào)控電磁波的自由度提高到了一個(gè)新的層次。因此,超構(gòu)表面自提出以來就受到了電磁學(xué)、光學(xué)以及光子學(xué)等領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。近年來的研究表明,基于超構(gòu)表面的功能器件由于其高集成度、多功能化以及輕量化等特點(diǎn)在電磁通訊、計(jì)算全息、輻射調(diào)控和探測成像等領(lǐng)域相較于傳統(tǒng)器件具有獨(dú)特的優(yōu)勢。雖然近年來針對(duì)超構(gòu)表面的研究已經(jīng)取得了初步的成果,但由于該領(lǐng)域仍然缺乏普適的設(shè)計(jì)理論,同時(shí)超構(gòu)表面與電磁波相互作用的機(jī)理還不完全明晰,因此,如何進(jìn)一步提高超構(gòu)表面器件的工作效率與工作帶寬仍然是該領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問題。本文圍繞電磁波的兩個(gè)最基本參量——振幅和位相,開展了基于超構(gòu)表面的電磁波振幅和位相調(diào)控技術(shù)研究,旨在兼顧超構(gòu)表面器件固有優(yōu)勢前提下,提升器件的工作效率與帶寬,主要研究工作包括以下幾點(diǎn):1、從基本電磁理論出發(fā),通過分析特定形式下超構(gòu)表面中的電場與阻抗分布,進(jìn)一步發(fā)展了懸鏈線電磁學(xué)模型。利用該數(shù)理... 

【文章來源】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所)四川省

【文章頁數(shù)】：157 頁

【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

完美超構(gòu)材料吸波器[49]

基于超構(gòu)表面的電磁波振幅和位相調(diào)控技術(shù)研究42008年，美國波士頓大學(xué)W.J.Padilla研究小組首次提出了一種如圖1.1（a）所示的新型超構(gòu)表面吸波器，并將其命名為完美超構(gòu)材料吸波器（Perfectmetamaterialabsorber）[49]。該結(jié)構(gòu)由正面的金屬環(huán)陣列、基板和背面的金屬斷線陣列組成；通過金屬環(huán)引入電諧振，上下兩層金屬結(jié)構(gòu)共同引入磁諧振，所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)在工作頻率的阻抗可以接近于1，從而可以實(shí)現(xiàn)如圖1.1（b）所示吸收率高達(dá)96%的近完美電磁吸收效果。由于所涉及材料的本征吸收率很低，因此該設(shè)計(jì)證實(shí)了超構(gòu)表面對(duì)電磁波的吸收有顯著的增強(qiáng)作用。圖1.2MIM結(jié)構(gòu)吸波器及其對(duì)應(yīng)吸收效果[50]（a）MIM結(jié)構(gòu)吸波器示意圖。（b）不同金屬損耗下的吸收效果。（c）不同液體折射率下的反射率分布。（d）對(duì)應(yīng)的品質(zhì)因數(shù)。Figure1.2MIM-typeabsorberandcorrespondingperformance[50](a)TheschematicimageoftheMIMabsorber.(b)Absoptionperformancewithdifferentmetallicloss.(c)Thereflectanceofdifferentrefractiveindexesoftheliquid.(d)Thecorrespondingfigureofmerit.

第1章緒論5在此基礎(chǔ)上，國內(nèi)外科學(xué)家們提出了多種類型的超構(gòu)表面吸波器設(shè)計(jì)方法，其物理機(jī)理不僅僅局限于上述的電磁諧振調(diào)節(jié)。其中一類具有代表性的結(jié)構(gòu)是利用金屬-介質(zhì)-金屬（MIM）的排布方式實(shí)現(xiàn)電磁吸收[35,50–53]。2010年，德國斯圖加特大學(xué)的H.Giessen小組提出了一種如圖1.2所示的金（Au）-氟化鎂（MgF2）-金的超構(gòu)表面吸波器，上層金屬為圓盤陣列，下方的介質(zhì)和金屬為膜層結(jié)構(gòu)[50]。由于上下兩層金屬在工作頻率處會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的磁耦合，因此會(huì)極大地增強(qiáng)該頻率處的電場強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)圖1.2（b）中的完美吸收；另外，由于該諧振頻點(diǎn)對(duì)環(huán)境折射率很敏感，因此該器件可以作為探測器實(shí)現(xiàn)如圖1.2（c）-（d）所示的對(duì)液體折射率的測量。圖1.3通過級(jí)聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)寬帶電磁吸收（a）利用超級(jí)單元實(shí)現(xiàn)寬帶吸收的樣品電鏡圖[54]。（b）不同樣品對(duì)應(yīng)吸收率[54]。（c）垂直方向級(jí)聯(lián)金屬貼片示意圖[55]。（d）不同角度下對(duì)應(yīng)吸收率[55]。Figure1.3Achievingbroadbandabsorptionwithcascadedabsorbers(a)TheSEMimagesforthesamplesconsistingofsupercells[54].(b)Thecorrespondingabsorptionofdifferentsamples[54].(c)Theschematicofcascadedmetasurfacesin

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]超構(gòu)天線:原理、器件與應(yīng)用[J]. 馬曉亮,李雄,郭迎輝,趙澤宇,羅先剛.  物理學(xué)報(bào). 2017(14)
[2]衍射極限尺度下的亞波長電磁學(xué)[J]. 蒲明博,王長濤,王彥欽,羅先剛.  物理學(xué)報(bào). 2017(14)
[3]超表面相位調(diào)控原理及應(yīng)用[J]. 李雄,馬曉亮,羅先剛.  光電工程. 2017(03)
[4]Symmetry breaking of photonic spin-orbit interactions in metasurfaces[J]. Fei Zhang,Mingbo Pu,Jun Luo,Honglin Yu,Xiangang Luo.  光電工程. 2017(03)
[5]表面等離子激元超構(gòu)表面的研究進(jìn)展[J]. 林佼,王大鵬,司光遠(yuǎn).  光電工程. 2017(03)
[6]電磁超構(gòu)材料色散調(diào)控研究進(jìn)展[J]. 郭迎輝,蒲明博,馬曉亮,李雄,羅先剛.  光電工程. 2017(01)
[7]Principles of electromagnetic waves in metasurfaces[J]. LUO XianGang.  Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2015(09)



本文編號(hào)：3631534