各向异性微纳金属结构中电磁波不对称传输的研究

发布时间：2020-08-17 08:18

【摘要】：超材料(metamaterials)是21世纪物理学领域的新兴词汇,通常是指由人工设计的、任意或周期性排列的、亚波长介质或金属微纳结构,也称为特异材料或超构材料。该类材料具有超常的物理性质,能够实现自然界中材料所不具有的特性。例如,光的磁环偶极共振、不对称传输、异常折射等特性。由于超材料具有特殊的物理性质,所以能够在未来的通信、探测、成像、传感等方面产生深远的影响。随着超材料的发展,科学家逐渐开始研究超表面(极薄的超材料)材料,进一步让世界知道了超材料的巨大应用潜力。各向异性微纳金属结构是超材料的一种,即该结构的物理性质随着方向的改变而改变。通常情况下,当电磁波入射到各向异性微纳金属结构时与结构发生相互作用,产生的电磁效应与入射电磁波的偏振方向有关。本论文主要从模拟计算和实验验证两方面研究了各向异性超材料的不对称透射情况,以及各向异性超表面的表面等离激元不对称传输情况。不对称透射的实现,为光二极管、光隔离器、偏振开关等光学器件的研究开辟了新思路。表面等离激元的不对称传输实现了对电磁波传输路径的操控,完成了自旋调控电磁波传输方向等,在光电研究领域具有重要的意义。近年来不对称传输由于其巨大的应用潜力引起了科研工作者的广泛关注。本论文的主要内容安排如下:(1)设计了长短金属棒交替分布的双层手性微纳结构。该结构即不具有镜面对称性,也不具有旋转对称性,可以在共振频率下实现圆偏振光和线偏振光的不对称透射效应。重要的是在研究过程中发现长金属棒的电偶极共振与短金属棒的电偶极共振发生耦合时可以实现线偏振光的宽带不对称透射。当不断改变短金属棒的长度时可以调整不对称透射的带宽;(2)在微波段设计了双层十字架微纳结构。在实验和模拟上同时验证了长短金属棒的耦合作用可以实现线偏振的宽带不对称透射效应;(3)利用三层旋转金属棒微纳结构实现了将y(x)偏振光在一个宽带范围内单方向性的转换为x(y)偏振光。当金属棒层数不断增加时偏振转换的带宽被加宽。由于偏振的转换与入射光的传播方向有关,所以该工作实现了偏振的不对称透射;(4)在工作(3)的基础上,调整三层旋转金属棒的旋转角度为?=22.5°,实现了将x偏振光沿+z和-z方向分别转换为右旋和左旋圆偏振光;(5)为了增强近红外波段不对称透射的强度,提出了一个连续的Ω型结构。首先在理论上实现了红外波段不对称透射的值为0.8。其次研究了实现高效不对称透射的物理机制,及不同参数对不对称透射强度的影响。最后该工作在实验上制备了样品,验证了红外波段不对称透射的存在;(6)设计了具有简并几何数的椭圆纳米狭缝结构。首先研究了不同偏振的入射光照射到单个椭圆纳米狭缝结构时局域表面等离激元的分布情况。其次将单个微纳结构周期性排列成超表面时,实现了自旋不同的圆偏振光入射时椭圆纳米狭缝结构与空气界面上等离激元的传输方向不同。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB30
【图文】：

图 1.1 人工超材料晶胞结构与钙钛晶胞结构对比示意图9 年 Walser 首次提出了超材料[7]。 超材料研究的初期主要是在微波领、负折射率和完美透镜等[8, 9]。近年来，超材料在光波段和太赫兹波起物理学、材料学、化学、工程学的广泛兴趣，成为了 2000 年以来

和不同取值表示的材料参数空间

图 1.3 (a) Pendry 第一次在理论上设计的人工负磁导率材料；(b) Shelby 第一次在实验上制备的左手材料[8, 9]材料作为近十几年来发展起来的新兴研究领域，其发展历程主要可以归纳 Veselago 提出介电常数和磁导率都为负值的左手材料；1999 年 Pendry 教

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本文编号：2795062