基于多层结构超表面的微波透镜及其消色差研究
发布时间：2021-12-12 12:46
近年来,平面二维超材料——超表面逐渐被用于设计各种类型的微波透镜。具有亚波长特性的超表面因其结构紧凑、重量轻等特点,提供了设计的灵活性,在电磁波波前控制方面展现出前所未有的优势。但目前大多数超表面透镜由品质因数高的谐振单元组成,具有窄带和色散等缺点,而考虑单元群时延特性的超表面透镜能够改善以上不足。传输相位对频率f求导可以得到群时延,反映器件固有的传输特性。群时延不仅表示信号传播时间延迟的大小,也直接影响信号在传输过程中是否会有色差。因此,人为改变超表面单元的群时延,可以实现调控微波透镜的色差,拓宽工作带宽的目的。本文具体研究工作包括:首先研究了超表面微波透镜基本单元的群时延特性,针对两大类结构:金属-介质单元与全介质单元进行群时延定性分析,发现群时延的大小值与频率响应的带宽成反比,并且与响应阶数N、介质层的εr、介质层的厚度h成正比。其次,对带通结构的群时延进行定量分析,得到固定的带宽对应着固定的群时延值的结论。其次分析了MEFSS（Miniaturized-Element Frequency Selective Surface）单元的ECM（Equivalent Circuit M...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：92 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图1-1两类非真时延透镜与真时延透镜频段内的焦点移动对比[18]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-3-2014年，DuHu等人在太赫兹波段内系统研究了超表面平面透镜的色差特性[19]。他们在500μm厚度的硅晶片上刻蚀100nm厚的金属V型天线单元，通过调控单元的幅度与相位，实现了工作波长为400μm时在4mm处聚焦。整个超表面透镜由40*40个单元构成，单元周期大小为200μm，如图1-2a)所示。通过仿真与测试，发现在0.59THz到0.80THz之间，此透镜的聚焦效果良好，但当波长呈增大的趋势时，焦距会逐渐减小，结果通过曲线拟合如图1-2b)所示，这种宽带内的色差现象是由不同频点在波传播过程产生的光程不同与超表面单元的宽带相位分布共同导致的。a)V型天线单元组成的透镜结构图b)超表面透镜的焦距与波长关系图图1-2太赫兹波段的超表面透镜设计与结果图[19]2015年，FrancescoAieta等人利用一种能够互相耦合的400nm高硅介质长条结构[20-21]，设计了在1300nm、1550nm和1800nm三个波长偏转相同角度的波束偏转器且偏转效果良好，如图1-3a)所示。小图A为三个波长归一化仿真远场强度与偏转角度结果图；小图B为远场测量实验装置图；小图C为仿真与实测从1100nm到1950nm的偏转结果图；小图D为测试得到的传输效率与波长的关系图。在此基础上，他们同样设计出了在三个波长之间能够汇聚相同距离的消色差聚焦透镜，实验的聚焦角度如图1-3b)所示。小图A为平面透镜结果图；小图B到H为不同波长对应得电场分布图，虚线对应着焦平面；小图I为三个波长所对应的效率图；小图J为在宽带内焦距与波长的关系图。这种仅仅实现对三个波长的消色差并未宽带效果。
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-4-a)三波长消色差超表面偏转器件b)三波长消色差超表面聚焦透镜图1-3基于相位补偿的多波长消色差超表面[20]同年，ZeyuZhao等人利用亚波长金属缝隙结构设计出对三个波长消色差的超表面透镜与应用于STED显微系统的双波长消色差器件[22]。图1-4左侧图展示了超表面亚波长结构与设计原理；为了实现STED显微镜成像的双波长聚焦，左侧小图(c)与(d)分别显示聚焦波束理论所需的幅度分布与相位分布。基于此原理，右侧图为所设计的针对532nm、632.8nm和785nm三个波长的消色差聚焦透镜的仿真与实测图。但是这种方法并未考虑其余波长影响，成像效果不佳。图1-4多频谱光学消色差超表面[22]
本文编号：3536702
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：92 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图1-1两类非真时延透镜与真时延透镜频段内的焦点移动对比[18]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-3-2014年，DuHu等人在太赫兹波段内系统研究了超表面平面透镜的色差特性[19]。他们在500μm厚度的硅晶片上刻蚀100nm厚的金属V型天线单元，通过调控单元的幅度与相位，实现了工作波长为400μm时在4mm处聚焦。整个超表面透镜由40*40个单元构成，单元周期大小为200μm，如图1-2a)所示。通过仿真与测试，发现在0.59THz到0.80THz之间，此透镜的聚焦效果良好，但当波长呈增大的趋势时，焦距会逐渐减小，结果通过曲线拟合如图1-2b)所示，这种宽带内的色差现象是由不同频点在波传播过程产生的光程不同与超表面单元的宽带相位分布共同导致的。a)V型天线单元组成的透镜结构图b)超表面透镜的焦距与波长关系图图1-2太赫兹波段的超表面透镜设计与结果图[19]2015年，FrancescoAieta等人利用一种能够互相耦合的400nm高硅介质长条结构[20-21]，设计了在1300nm、1550nm和1800nm三个波长偏转相同角度的波束偏转器且偏转效果良好，如图1-3a)所示。小图A为三个波长归一化仿真远场强度与偏转角度结果图；小图B为远场测量实验装置图；小图C为仿真与实测从1100nm到1950nm的偏转结果图；小图D为测试得到的传输效率与波长的关系图。在此基础上，他们同样设计出了在三个波长之间能够汇聚相同距离的消色差聚焦透镜，实验的聚焦角度如图1-3b)所示。小图A为平面透镜结果图；小图B到H为不同波长对应得电场分布图，虚线对应着焦平面；小图I为三个波长所对应的效率图；小图J为在宽带内焦距与波长的关系图。这种仅仅实现对三个波长的消色差并未宽带效果。
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-4-a)三波长消色差超表面偏转器件b)三波长消色差超表面聚焦透镜图1-3基于相位补偿的多波长消色差超表面[20]同年，ZeyuZhao等人利用亚波长金属缝隙结构设计出对三个波长消色差的超表面透镜与应用于STED显微系统的双波长消色差器件[22]。图1-4左侧图展示了超表面亚波长结构与设计原理；为了实现STED显微镜成像的双波长聚焦，左侧小图(c)与(d)分别显示聚焦波束理论所需的幅度分布与相位分布。基于此原理，右侧图为所设计的针对532nm、632.8nm和785nm三个波长的消色差聚焦透镜的仿真与实测图。但是这种方法并未考虑其余波长影响，成像效果不佳。图1-4多频谱光学消色差超表面[22]
本文编号：3536702
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