基于超材料的完美吸收体和慢光器件的主动调控研究

发布时间：2020-07-14 09:14

【摘要】：超材料是一种表现出负折射率等特殊物理性质的具有周期或非周期性亚波长结构的人工材料。通过对超材料中的结构进行定制化的设计,可以使超材料具有常规材料所不具备的奇异物理性质。这种通过改变材料中的人造结构尺寸而对材料的性质进行定制的思路,拓展了人们对于材料的认识。基于超材料的概念,可以设计出各种功能性器件。例如:完美吸收体,偏振转换器,相位延迟器等。超材料完美吸收体属于超材料中的振幅调制器,当电磁波入射到完美吸收体表面时,反射电磁波和透射电磁波的强度均为0,意味着电磁波被材料完全吸收。超材料完美吸收体有着实际的应用价值,比如利用超材料覆盖的机身实现对雷达的隐形功能。相比于传统吸波器件,超材料完美吸收体有很多优势,例如:厚度薄,稳定性高,可定制化设计等。在实际使用中,是否可以主动调控成为了完美吸收体能否广泛应用的关键因素。实现可主动调控的、宽谱的超材料完美吸收体仍然是一个挑战。太赫兹波是处于电磁波谱中一个特定频率区间(0.1 THz-10 THz)的电磁波。频率高于太赫兹波的红外波段以及频率低于太赫兹波的微波波段均已经被大量研究。但是从前由于技术的原因,缺少高效的太赫兹源和相应的太赫兹探测器,这限制了太赫兹技术的相关研究。随着超快激光器技术的进步,相应的太赫兹源以及探测器的发展,太赫兹波段的电磁波也终被人们所关注。然而,太赫兹波段主动调控功能器件的缺乏,是限制太赫兹技术进一步发展的关键因素之一。发展主动调控的超材料器件为太赫兹调控器件提供了绝佳的解决方案。本论文主要研究主动调控的超材料器件。首先对主动调控超材料完美吸收体进行了研究,设计并提出了两种新颖的主动调控超材料完美吸收体结构,并且通过仿真的方式研究其吸波性能。在太赫兹超材料器件方面,设计并制作了一种太赫兹波段的超快群速度调控器件,通过实验,仿真等手段研究了其对太赫兹群速度调控性能。本论文具体的研究工作如下:1.提出了一种主动调控和可切换频带的太赫兹宽谱完美吸收体。这种完美吸收体可通过温度控制实现在两个较宽频带之间切换的功能。为了实现这种功能,我们在传统的完美吸收体中加入了相变材料二氧化钒,通过结构设计使得在相变温度以上和相变温度以下吸收体呈现不同的有效结构,从而实现切换功能。我们通过仿真的方式验证了完美吸收体的吸收性能,并利用等效介质理论探究了完美吸收体的吸收机理。2.提出了一种基于石墨烯-介质多层结构的主动调控双带完美吸收体。这种结构的完美吸收体可以在两个共振频率处实现完美吸收。通过外加电压可以调控两个吸收峰位置。利用等离激元理论,我们研究了石墨烯-介质多层结构中电磁波的传播,探究了这种结构具有两个吸收峰的物理机制。同时根据石墨烯-介质多层结构中的色散关系,推导出一个可以通过石墨烯费米能级以及结构几何参数计算吸收峰位置的经验公式。通过将仿真得到的吸收峰位置和经验公式计算出来的吸收峰位置进行比对,验证了经验公式的可信度。3.设计了一种基于类电磁诱导透明、可超快调控的太赫兹波群速度延迟器。为了实现对群速度的超快调控,我们在传统的电磁诱导透明超表面中引入磷离子P+掺杂的微米硅结构,由于离子注入的硅产生了大量缺陷,使得硅中光生载流子可以快速复合。我们首先通过仿真的方式研究了所设计超表面的性能,然后利用微纳加工手段制作了样品,并利用光泵浦太赫兹探测系统测试样品的太赫兹波透过率随泵浦光延迟的变化,得到了样品对群速度调控的性能。我们还通过耦合振荡器模型对测试结果进行拟合,进一步说明调控的物理机制。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O441.4;TB34
【图文】：

示意图,负折射率,正折射,电磁波

而如果材料具有Ｓ＜０，ｐ＜０的性质，则这三个矢量呈现左手系矢量组。逡逑这导致了以下两个结果：（１）材料中传播的电磁波的坡印廷矢量＊５和波矢量灸的逡逑方向相反，如图１．２所示。（２）材料的折射率ＩＩ的符号是负值。由于具有前面提逡逑到的这些奇特的性质，第三象限的材料（即ｓ＜０，ｐ＜０的材料）也被称为左手材料，逡逑或者负折射率材料。从图１．２中我们还可以看到当电磁波从正折射率材料入射到逡逑负折射率材料的时候，折射电磁波的坡印廷矢量和入射电磁波的坡印廷矢量在法逡逑线同侧，这和我们熟知的折射现象不同，在这种情况下折射定律也被拓展了：逡逑（１．４）逡逑ｓｉｎ＾邋％逡逑从折射定律（１．４）可以看出，当入射到负折射率材料时，折射角是负值，这和普逡逑通情况下有很大的不同。逡逑３逡逑

示意图,等效介电常数,金属线

Ｘ；逦＼．逦；逦＾－＞０逡逑Ｈｒ＜逦＼逦＼逡逑图１．２电磁波从正折射率材料入射到负折射率材料界面是的折射示意图。其中在负折射率逡逑材料中的折射波的坡印廷矢量方向和波矢量方向是相反的。逡逑１．２．邋３超材料的设计方法逡逑超材料的设计核心思想是要利用人工结构定制材料的折射率，也就是就是要逡逑设计出特殊的结构来实现对材料的介电常数和磁导率进行定制。在传统的材料模逡逑型中，介电常数和磁导率通常是和频率相关的，一般可以采用Ｄｒｕｄｅ－Ｌｏｒｅｎｔｚ模逡逑型来描述：逡逑丁４＾＾逡逑■邋二＿；＋￥邋（１．５）逡逑其中（Ｏｐ代表材料等离子体震荡频率，（００代表材料中电子的固有共振频率，丫代逡逑表和介质损耗有关的阻尼因子。脚标ｅ，ｍ分别代表电响应和磁响应下对应的参逡逑量。对于金属材料来说，在低频范围内，金属的介电常数通常表现为负数。但是逡逑另一方面自然界中的材料很少存在磁导率是负数的材料，尤其是当频率超过太赫逡逑兹（１０１２Ｈｚ）的时候，自然界中的材料的磁响应就会变得很弱，这主要是因为磁逡逑性材料的磁极化是源自轨道自旋或者是电子自旋

负折射率,谐振环,微波波段,金属线

年到２００５年左右，负折射效应依然是人们研究超材料的焦点方向。人们利用各逡逑种不同结构来实现负折射率材料，并且将负折射率材料拓展到不同频段［１５－２１］。逡逑图１．４（ａ）即为美国加州大学Ｓｈｅｌｂｙ教授实现的微波波段的负折射率超材料。图逡逑１．４邋（ｂ）为２００６年加州大学伯克利分校的Ｚｈａｎｇ邋Ｘｉａｎｇ研宄组制作的渔网结构，逡逑实现了在近红外波段的负折射率材料。这种结构的特点是比较简单容易在实验上逡逑实现，很多研究者对这种结构进行了更深入的研宄。图１．４邋（ｃ）和图１．４邋（ｄ）分逡逑别为利用谐振环结构实现的太赫兹波段［１５］以及红外波段的负折射率材料［２２］。逡逑（ａ）逦（ｂ）逡逑（ｃ）逦（ｄ）逦逦邋逦逡逑．．．．．邋．．．邋．．．．．逡逑ｂｉｆｉｆｉｆｉｙ逡逑１－置一—ｍ邋ｍ一．．１逡逑■ｍｉ逡逑图１．４邋（ａ）金属线谐振环结构微波波段负折射率材料。（ｂ）渔网结构负折射率材料。（ｃ）逡逑太赫兹波段负折射率材料。（ｄ）红外波段负折射率材料。逡逑２００５年以后人们逐渐发现谐振环结构有着更广阔的应用前景。利用超材料逡逑的设计思路，改变结构的参数就可以使材料的介电常数远大于１或者使介电常数逡逑接近于０，从此超材料不仅限于负折射率材料或者左手材料，越来越多的不同特逡逑８逡逑

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