平面超材料的Fano谐振及偏振转换特性研究

发布时间：2019-07-26 14:08

【摘要】：新型人工电磁材料(Metamaterials)于20世纪六十年代,由前苏联物理学家Veselago在理论上提出,后经一系列科学实验所实现,由于其能够实现自然界常规材料所不具备的奇异电磁特性而得到广泛关注,在近十几年中成为了物理学、尤其是电磁学领域的研究热点。“手性”结构与超材料的结合,以及超材料中的Fano谐振等,使得近年来超材料可以广泛地与不同的研究方向有机结合,形成诸多全新的交叉研究领域。“手性”用来描述物体的几何对称性,当物体结构自身缺乏几何对称性,即自身结构无法与其镜像重合时,该物体结构称为“手性”结构。N.Zheludev等人于2006年在研究平面手性超材料时发现了一个新的、重要的、可导致宏观的非对称传输的电磁学效应-圆转换二向色性。非对称线型的Fano谐振自1961年被发现以来,它已经成为量子体系中描述相互作用的最重要的性质之一。超材料中的Fano谐振具有陡峭的色散特性,在一定条件下可类似于量子系统的电磁诱导透明现象(electromagnetically-induced transparency,EIT),令其在众多方面具有潜在应用,如传感、开关、非线性、慢光、有源器件等。本论文利用理论分析结合实验验证的方法,研究了平面超材料的Fano谐振及其手性特性,为实现基于平面超材料的超薄的多频段偏振功能器件提供了重要的理论及实验参考。在通过对新型人工电磁材料的奇异物理特性以及其发展历程、国内外研究现状进行了详细了解的基础上,论文工作主要包含如下3方面:1.设计了一种基于全金属结构的平面超材料,其目的是为了克服了有基底的平面超材料的损耗等问题。利用仿真计算及实验测试等手段,详细的研究了此超材料的Fano谐振的产生机理,并分析讨论了平面超材料的环孔的非对称度及结构参数对其Fano谐振特性的影响,且样品的实验测试结果的曲线形状与仿真结果基本吻合;2.对于本课题中提出的全金属平面超材料,在入射波倾斜入射的情况下可以表现出外致手性,与非对称分裂环孔相平行和垂直的两正交线性偏振态间将出现耦合,其耦合的强度与入射波的倾斜角度有关,且当入射波的倾斜角大于50°时,平面超材料的两正交线偏振态间出现强耦合,进而导致了极强的手性特性,线偏振转换传输比率曲线出现了单峰分裂的情况,这种情况目前在他人的工作中尚未见报道。利用仿真计算及实验测试等手段,详细的研究了此超材料的线偏振转换特性,并分析讨论了平面超材料的环孔的非对称度及结构参数对其线偏振转换特性的影响,且样品的实验测试结果的曲线形状与仿真结果基本吻合;3.对于具有非对称分裂环孔的全金属平面超材料及工作于太赫兹波段的单层平面手性超材料的圆偏振传输特性进行了详细的分析讨论。研究表明,具有非对称分裂环孔的全金属平面超材料,可以利用圆偏振波的倾斜入射来形成圆偏振片的功能,且样品的实验测试结果的曲线形状与仿真结果基本吻合;而工作于太赫兹波段的单层平面手性超材料,可以利用外部泵浦光源强度的动态调节来实现两谐振峰间的良好的开关切换效果,有望利用此超材料制作出工作太赫兹波段的超材料开关器件,为圆偏振波传输的动态控制提供了新的可能途径。
【图文】：

第１章绪论逡逑一面印制了铜线，而在另一面印制了周期性谐振裂环。可以把上述单元结构排列成二维逡逑阵列即形成整个材料，如图１．２（ｂ）所示。逡逑（ａ＼邋Ｉ邋｜逦｜逦１邋（ｂ）逡逑．ｉｌｌ邋ｌｌｌｌ逡逑ＰｆｆＰ邋＿邋ｇ逡逑图１．１邋Ｐｅｎｄｒｙ教授设计的单负介电常数和单负磁导率材料结构逡逑（ａ）可实现单负介电常数的金属棒结构（ｂ）可实现单负磁导率的开口谐振环结构逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｏｆ邋ｎｅｇａｔｉｖｅ邋ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ邋ａｎｄ邋ｐｅｎｎｅａｂｉｌｉｔｙ邋ｍａｔｅｒｉａｌ，邋ｄｅｓｉｇｎｅｄ邋ｂｙ邋Ｊ．邋Ｂ．邋Ｐｅｎｄｒｙ逡逑（ａ）逦Ｎｅｇａｔｉｖｅ邋ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ邋ｍａｔｅｒｉａｌ邋ｆｏｒｍｅｄ邋ｂｙ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋Ｒｏｄｓ；逡逑（ｂ）逦Ｎｅｇａｔｉｖｅ邋ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ邋ｍａｔｅｒｉａｌ邋ｆｏｒｍｅｄ邋ｂｙ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ＳＲＲｓ；逡逑Ｓｍｉｔｈ等人基于此左手材料设计了楔形棱镜，实验观测发现光线入射到该棱镜后，逡逑折射光线与入射光线在法线的同一侧。利用Ｓｎｅｌｌ定律可以证明该棱镜的折射率为负，即逡逑电磁波在该材料中传输时，电磁波波矢Ａ：、电场五和磁场／／之间满足“左手定律”，因此逡逑人工材料的左手特性（负折射）得以通过实验证实［１５］。逡逑（ａ）逦＾逦（ｂ）逡逑＾邋Ｉ邋ｇｊｌｌｌ逡逑图１．２邋Ｓｍｉｔｈ教授设计的左手材料：逡逑（ａ）—维左手材料逦（ｂ）二维左手

平面超材料的Fano谐振及偏振转换特性研究

第１章绪论逡逑一面印制了铜线，而在另一面印制了周期性谐振裂环。可以把上述单元结构排列成二维逡逑阵列即形成整个材料，如图１．２（ｂ）所示。逡逑（ａ＼邋Ｉ邋｜逦｜逦１邋（ｂ）逡逑．ｉｌｌ邋ｌｌｌｌ逡逑ＰｆｆＰ邋＿邋ｇ逡逑图１．１邋Ｐｅｎｄｒｙ教授设计的单负介电常数和单负磁导率材料结构逡逑（ａ）可实现单负介电常数的金属棒结构（ｂ）可实现单负磁导率的开口谐振环结构逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｏｆ邋ｎｅｇａｔｉｖｅ邋ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ邋ａｎｄ邋ｐｅｎｎｅａｂｉｌｉｔｙ邋ｍａｔｅｒｉａｌ，邋ｄｅｓｉｇｎｅｄ邋ｂｙ邋Ｊ．邋Ｂ．邋Ｐｅｎｄｒｙ逡逑（ａ）逦Ｎｅｇａｔｉｖｅ邋ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ邋ｍａｔｅｒｉａｌ邋ｆｏｒｍｅｄ邋ｂｙ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋Ｒｏｄｓ；逡逑（ｂ）逦Ｎｅｇａｔｉｖｅ邋ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ邋ｍａｔｅｒｉａｌ邋ｆｏｒｍｅｄ邋ｂｙ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ＳＲＲｓ；逡逑Ｓｍｉｔｈ等人基于此左手材料设计了楔形棱镜，，实验观测发现光线入射到该棱镜后，逡逑折射光线与入射光线在法线的同一侧。利用Ｓｎｅｌｌ定律可以证明该棱镜的折射率为负，即逡逑电磁波在该材料中传输时，电磁波波矢Ａ：、电场五和磁场／／之间满足“左手定律”，因此逡逑人工材料的左手特性（负折射）得以通过实验证实［１５］。逡逑（ａ）逦＾逦（ｂ）逡逑＾邋Ｉ邋ｇｊｌｌｌ逡逑图１．２邋Ｓｍｉｔｈ教授设计的左手材料：逡逑（ａ）—维左手材料逦（ｂ）二维左手
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O441.6

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