超材料宽带电磁响应及吸收体结构设计研究

发布时间：2017-07-20 09:00

  本文关键词：超材料宽带电磁响应及吸收体结构设计研究

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【摘要】：电磁超材料是一个全新的电磁材料理念。不同于掺杂、修饰、改性等人工手段,超材料强调通过单元的结构设计来控制入射电磁波与超材料的耦合及响应机制,从而影响其宏观的电磁作用效果。目前,大部分超材料设计依赖于入射波与其单元结构的谐振耦合和响应,这种谐振特征使超材料的等效电磁参数如负磁导率、负介电常数等在频域上呈现出带宽窄、强度随频率明显变化等特点,在一定程度上约束了超材料的工程应用。为拓展超材料的工作带宽并优化频率响应特征,本文从超材料的结构设计出发,以经典结构为原型详细分析超材料电、磁耦合响应的结构控制机制,探索超材料谐振特征对结构设计的依赖关系,为设计出宽频带、频率无关的超材料及其结构打下坚实的基础。在本论文中,我们利用多组件谐振模式间相位适配的方法获得了宽带近似与频率无关的负磁导率；利用结构谐振弱化的方法获得了宽带近似与频率无关的负介电常数。而且,我们设计的“金属环对”结构可在0.725-0.9 THz的范围内获得稳定在-0.75附近的磁导率；“金属矩形框”结构可在0.83-0.91 THz范围内获得稳定在-0.3附近的介电常数。最后,我们将此多模优化和谐振优化的宽带设计思想成功应用于宽带吸收体设计。研究表明,利用平面结构变化的半导体单元设计引入多个表面等离子体振荡模式,我们设计的“孔-方结构”可在1.64-5THz的宽带范围内保持90%以上的吸收率(平均吸收率超过93.71%),且对偏振模式和入射角都有较好的兼容性。通过进一步优化设计,“螺母结构”可将高效吸收(90%)频带扩展为0.98-5 THz,且平均吸收率超过96.46%。本论文研究内容中所提出的结构设计方法可直接为实现超材料宽带电磁响应的实验工作与工程设计提供方案参考。结构设计演化及优化过程中所总结的多模优化和谐振优化思想可为实现宽带电磁响应超材料的理论分析和设计工作提供新的研究思路并为超材料设计方法系统化、工程化作出贡献。
【关键词】：超材料 负磁导率 负介电常数 吸收体 宽带 低色散
【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB34;O441.6
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第一章 绪论8-16
• 1.1 超材料概念的形成与发展8-14
• 1.1.1 “超”“构”材料——探索材料学的“新大陆”8-9
• 1.1.2 材料性质的分类描述与等效介质理论9-13
• 1.1.3 高性能吸收体——重要的超材料应用方向13-14
• 1.2 小结及问题分析14-15
• 1.3 本文的主要内容15-16
• 第二章 数值建模与分析方法16-21
• 2.1 数值模拟方法16-18
• 2.2 等效电路解析18-21
• 2.2.1 单级均匀结构18-19
• 2.2.2 多级非均匀结构19-21
• 第三章 超材料宽带磁响应设计21-30
• 3.1 人工“磁极子”21-22
• 3.2 双频带负磁导率设计22-25
• 3.3 宽带负磁导率超材料设计25-28
• 3.4 本章小结28-30
• 第四章 超材料宽带电响应设计30-36
• 4.1 稀化金属等离子体30-31
• 4.2 电谐振结构31-33
• 4.3 弱化电谐振33-35
• 4.4 本章小结35-36
• 第五章 超材料宽带吸收体设计36-50
• 5.1 金属回路谐振结构36-39
• 5.2 设计与演化39-48
• 5.2.1 “孔-方结构”设计39-43
• 5.2.2 “孔-方结构”几何参数对性能的影响43-45
• 5.2.3 “孔-方结构”对入射角及偏振的兼容性45-46
• 5.2.4 “孔-方结构”对偏心误差的兼容性46-47
• 5.2.5 “螺母结构”47-48
• 5.3 本章小结48-50
• 第六章 总结和展望50-52
• 致谢52-53
• 参考文献53-60
• 攻读学位期间发表论文及参加科研工作情况60-61
• 作者个人简介61

【参考文献】

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1 刘骁;陈建国;韩敬华;张彬;崔旭东;;高功率光纤激光器全内反射型大模场光子晶体光纤设计[J];强激光与粒子束;2014年10期

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本文编号：567171