太赫兹频段金属—介质—金属三明治结构超材料的电磁性质研究

发布时间：2019-08-02 10:15

【摘要】：本论文研究的超材料都是金属-介质-金属(metal-dielectric-metal, MDM)三明治结构的超材料,具有负折射率和负磁导率等特性,通过结构的优化设计,能实现光学超常透射、负折射、阻带、大带宽通带等。本文的研究主要包括三大部分,第一部分是金属-介质-金属三明治结构超材料样品的制备,并使用傅里叶红外光谱仪测量超材料样品的透射率。第二部分是超材料的结构设计对自身的电磁性质的影响及其物理机制,第三部分是实现阻带滤波器、大带宽通带滤波器等超材料功能器件的结构设计和数值研究,以及带宽通带滤波器的样品制备。同时,通过对比超材料样品的测量透射率和模拟透射率(主要是对比峰位和峰值),验证模拟工作的有效性。使用S参数反演方法提取超材料的有效参数,并获得超材料在共振频率的电磁场场强分布情况,探索物理机制。本论文的主要内容如下：1.介绍了本论文所采用的数值模拟方法的基本原理和模拟软件。同时,本论文在实验上制备了不同结构设计的金属-介质-金属三明治结构超材料样品。2.数值研究了圆孔型MDM超材料的晶格常数对光学透射谱和负折射等电磁性质的影响。随着晶格常数的减小,超材料的低阶透射峰出现异常增大现象,其物理机制为阻抗匹配,负折射带随着晶格常数的减小而蓝移。对于长方形孔阵列MDM超材料,通过对比测量透射率和模拟透射率,验证了课题组的模拟工作对模拟条件设置的有效性。通过增加长方形孔的长度,主透射峰和低频透射峰的峰值都增加,同时峰位都出现红移现象。在低频透射峰范围内负折射率的绝对值和负折射带宽都随着长度的增加而减小。3.研究了不同形状的孔对MDM超材料电磁性质的影响,在相同的条件下,十字型孔的低频透射峰振幅达到最大,圆孔型的单元结构得到最大的负折射率,但是负折射带宽最大的是长方形孔。研究了子结构对复合结构超材料电磁性质的影响,通过改变金属条在纵轴方向上与长方形孔阵列之间的距离可以调节LSP模式之间的相互干涉和耦合作用的强度,从而调制超材料的电磁性质。4.研究了介质层的厚度和介电常数对长方形孔阵列MDM超材料电磁性质的影响。当ε=4时,超材料的低频透射峰的振幅达到最大,达到阻抗匹配条件。随着介质层厚度的增加,负折射率和负折射带宽都增大。通过运用数值拟合方法,可知介质层厚度与超材料的负折射率之间存在着类似线性的变化规律。5.本论文设计了一种十字-圆孔型太赫兹频段超材料阻带滤波器,通过该结构是可以得到较大带宽的阻带的。通过计算滤波器的近场电场强度和电流分布强度,发现物理机制为两种共振模式的综合导致的。发现该滤波器对金属材料是不敏感的但对介质层的介电常数非常的敏感。研究了一种修改型的双鱼网超材料结构,得到了较大的透射带。发现在透射带内出现完美阻抗匹配,导致了大带宽透射带的形成。通过增加主空气孔的孔径,超材料的透射带带宽是增加的,但平均透射率是下降的。减小介质层的厚度,会得到更大的透射带。最后,设计了一种改进型双鱼网结构超材料带通滤波器,并从实验制备和模拟两方面验证该结构设计的有效性。该超材料滤波器可以得到从90.0到105.0THz的可操作透射带。主要物理机制是在透射带范围内的阻抗匹配。
【图文】：

逡逑磁导率和介电常数Ｅ的坐标系，理论上可将材料大致分为四类，如图１．２逡逑所示。其中，第一象限的材料为绝大多数的天然材料，其特点是材料的磁导率＾逡逑和介电常数Ｅ满足大于零。位于第二象限的材料是磁导率＾大于零而介电常数Ｃ逡逑小于零的材料，比如等离子体Ｗ及低于等离子体频率电磁波作用下的某些金属材逡逑料。第四类材料为分布在第四象限的材料，其磁导率＾小于零而介电常数Ｅ大于逡逑零，典型的材料为铁磁材料在磁谐振的情况下将满足＾小于零。而本文研究涉逡逑及最多的是分布在第兰象限的第Ｈ类材料，其磁导率＾和介电常数Ｓ均小于零，逡逑称之为左手材料或者双负材料。这种材料在自然界中并不存在，是通过人工制备逡逑方式得到，目前，研究者们正将双负材料的研究推向太赫兹频段和可见光频段，逡逑而本文的研究重点也是关注太赫兹频段的研究。逡逑Ａ逡逑（Ｓ邋＜邋0

太赫兹频段金属—介质—金属三明治结构超材料的电磁性质研究

光源之间有相对运动时，探测器得到的测量频率（如光波频率）会发生多普勒偏逡逑移，称之为多普勒效应。现在考虑一束光波在左手材料形成的媒介中传播，如图逡逑１．４所示。首先在正折射率材料传播媒介中，如图１．４邋（ａ）所示，为简便起见，逡逑假设光源固定不动，频率为０）。，，而探测器Ｗ速度Ｖ向光源运动，在坐标系中为逡逑负值，而光波的速度为Ｍ，为正值，根据多普勒效应公式可推导出探测器测量的逡逑频率为：逡逑历＝历0（１－心）逦（１．１３）逡逑Ｕ逡逑由上面的基本设置可知，上式中－＜０，贝Ｉｊｌ－－＞１，从而可得ｃｏ＞0）。，表明测量逡逑Ｕ逦Ｕ逡逑得到的频率要比光源的频率大，即多普勒效应。而在左手材料传播媒介中，如图逡逑１．４（ｂ）中，当光波在左手材料中传播，相位的传播方向是远离探测器的方向的，逡逑即一＞０，这是材料不同导致的，贝Ｕ０＜１－－＜１，表明0）＜议。，测量得到的频率逡逑比光源的频率小，与多普勒效应相反，即逆多普勒效应逡逑０—逦逦逦＞ｘ逡逑图１．４电磁波的多普勒效应简单示意图。其中
【学位授予单位】：南京师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O441;TB34

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