基于表面等离子体人工材料的电磁波操控研究

发布时间：2018-06-05 22:19

本文选题：表面等离子体 + 人工电磁材料/表面　；参考：《西南交通大学》2016年博士论文

【摘要】：长久以来,人们致力于探索电磁波与物质之间的相互作用,并通过设计一系列的元器件对电磁波的传播行为进行人为控制。近年来,随着微细加工技术与材料科学不断发展和完善,基于亚波长金属结构的表面等离子体和人工电磁材料／表面极大地拓展了电磁波与物质之间相互作用的形式,并增强了其作用效率。首先,亚波长结构中电磁耦合可以通过结构的电共振或磁共振显著增强；其次,由于这种电磁耦合,实现了包括负折射率、零折射率、高折射率等自然界中材料难以获得的电磁特性；最后,伴随着这种超常的电磁特性,许多原来不可想象的现象得以实现,如异常透射增强、超衍射成像、电磁隐身等等。本论文围绕亚波长尺度下电磁操控研究了的两个基本问题：(1)突破传统衍射极限将电磁波束缚在亚波长尺度的空间内；(2)设计具有亚波长特征尺寸的器件,实现亚波长尺寸下电磁波与物质的高效相互作用。重点研究了表面等离子体波导系统中电磁波的传输、谐振、分束、滤波以及谱线操控,同时基于新兴的人工电磁材料和人工电磁表面开展对电磁波高效吸收、宽带极化控制、以及波前调控等方而的研究。论文的主要工作和取得的创新性成果主要包括：1.在电磁波功率控制和定向传输方面：(1)提出了基于单个表面等离子体波导谐振腔的功率分东器。理论分析表明：矩形谐振腔一阶模的磁场分布关于谐振腔中心呈现奇对称分布(正弦函数),磁场波节位于矩形腔的中心；二阶模的磁场分布关于谐振腔中心呈现偶对称分布(余弦函数),磁场波节位于偏移矩形腔中心四分之一腔长的距离。在两个波节处分别设置输出波导,实现了谐振腔内不同模式(频率／波长)的高隔离度定向传输和分束。在距谐振腔中心位置L/4处设置N(N=2,3,4)个输出波导,实现了1×N的功率分束,分光比可通过调节输出波导与谐振腔的耦合距离以及输出波导中填充材料的折射率进行调节。(2)提出基于金属-介质交替膜层组成的变形金字塔结构,实现宽带高效电磁吸收。首先,基于等效阻抗理论分析了单元结构实现单频点高效吸收的物理机制和关键影响因素。其次,数值模拟了单元结构的工作频点随结构宽度和介质有效折射率的变化关系。在此基础上,设计了基于MxN级联组合的宽带高效电磁吸收器。该吸收器由M个不同宽度的超级单元组成,每个超级单元结构又由N个具有不同介电常数的金属-介质对组成。数值结果表明,4x4的级联组合能够实现3.2-11.8 THz范围内高达92%的吸收率。2.在电磁波谱线操控方面：(1)提出基于缺陷谐振腔的谱线操控方案。首先,构建了含缺陷的矩形表面等离子体波导谐振腔模型,并系统研究了缺陷引入以及结构参数变化对表面等离子体波导谐振腔电磁分布和峰值波长的影响,数值结果表明：i)缺陷的引入会使一阶模和二阶模的信道中心波长分别发生蓝移和红移；ii)一阶模和二阶模的信道中心波长随缺陷位置的位置分别呈现“C”形和“S”形的变化规律；iii)在模式磁场波节处改变缺陷的大小,可选择性地改变一个模式的信道中心波长。在此基础上提出了一种信道间距可调谐的表面等离子体滤波器。(2)研究了单个开口谐振环互补结构中的电磁诱导透明现象。数值模拟表明,开口谐振环互补结构可以看作是两个相互耦合的U形谐振腔。其中,距主波导较近的U形谐振腔能够与主波导直接耦合,因此可以被看作是亮模；距主波导较远的U形谐振腔不能够与主波导直接耦合,因此可以被看作是暗模。亮模与暗模之间的干涉相消导致了类电磁诱导透明传输。接下来研究了亮模与暗模之间的耦合距离、开口谐振环的非对称度等结构参数对透明窗口形状的影响。最后,研究了两个开口谐振环级联结构的多波段(可见光和近红外)类电磁诱导透明传输。3.在电磁波极化控制方面：鉴于人工电磁材料带宽受限的问题,提出了二维色散调控拓展人工电磁材料工作带宽的方法。利用表面阻抗等效理论和传输矩阵理论建立了基于反射式人工电磁表面相位调制的数理模型,依据此模型在人工电磁表面的两个维度上同时构造洛伦兹色散的叠加,实现无色散的相位差。采用两种各项异性人工电磁表面,即开口谐振环阵列和正交金属短线对阵列,通过实验证明了所设计的器件具有超2倍频程范围的工作带宽。4.在电磁波相位和波前调控方面：提出融合几何相位和传播相位的二维相位调控机制。针对基于金属谐振结构的人工电磁表面工作带宽窄、传播损耗高、相位噪声大的不足,设计了一种具有连续相位包络的全介质人工电磁表面。该人工电磁表面由硅基的亚波长环形光栅结构组成,一方面环形光栅内在的形式双折射效应和空间非均匀性引起入射电磁波的自旋角动量和轨道角动量相互耦合,由此产生沿光栅角向的几何位相调制,表现为涡旋光束的产生；另一方面,对环形光栅的占空比分别沿光栅角向和径向进行调制,则能够实现传输位相调制。角向几何位相调制与角向传输位相调制叠加,导致涡旋光束所携带的轨道角动量的拓扑荷发生变化(由整数变为分数)；角向几何位相调制与径向传输位相调制叠加,能够实现对涡旋光束的操控,即产生聚焦和贝塞尔类型的涡旋光束。
[Abstract]:In recent years , with the development and perfection of micro - processing technology and material science , the surface plasma and artificial electromagnetic material / surface based on sub - wavelength metal structure greatly expand the interaction between electromagnetic wave and substance , and enhance its action efficiency . Firstly , the electromagnetic coupling in sub - wavelength structure can be enhanced by the electrical resonance or magnetic resonance of the structure .
Secondly , due to the electromagnetic coupling , electromagnetic properties which are difficult to obtain in nature including negative refractive index , zero refractive index and high refractive index are realized ;
In the end , with the super - constant electromagnetic properties , many of the phenomena that are not conceivable are realized , such as abnormal transmission enhancement , super - diffraction imaging , electromagnetic stealth , etc . Two basic problems of electromagnetic control under sub - wavelength scale are studied : ( 1 ) the electromagnetic wave is bound in the space of the sub - wavelength scale through the breakthrough of the traditional diffraction limit ;
( 2 ) A device with sub - wavelength characteristic dimension is designed to realize the high - efficiency interaction between electromagnetic wave and matter under sub - wavelength dimension . The research of electromagnetic wave transmission , resonance , beam splitting , filtering and spectral line manipulation in surface plasma waveguide system is focused on the research of electromagnetic wave power control and directional transmission .
Based on the theory of equivalent impedance , a series of N ( N = 2 , 3 , 4 ) output waveguides with different dielectric constants is proposed .
ii ) the positions of the channel center wavelength of the first - order mode and the second - order mode are respectively presented with the variation law of the " C " shape and the " S " shape according to the position of the defect position ;
In this paper , a kind of surface plasma filter with tunable channel spacing can be selectively changed by changing the size of the defect at the mode magnetic field .
In this paper , the influence of the structure parameters such as the coupling distance between the bright and dark modes on the shape of the transparent window is studied .
on the other hand , the duty ratio of the ring grating is modulated in the direction of the grating angle and the radial direction respectively , and the transmission phase modulation can be realized .
the angular geometry phase modulation and the radial transmission phase modulation overlap can realize the control of the vortex light beam , namely generating a focusing and Bessel type vortex beam .
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O441.4

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