基于超表面结构的波前、偏振和表面波耦合器件的机理与性能研究

发布时间：2021-07-19 13:12

　　超表面是一类由亚波长厚度的人工单元构成的二维超材料。近年来,超表面在亚波长尺度内对电磁波的振幅、相位和偏振态的极限控制能力受到了广泛关注。通过超表面来局域地控制电磁波振幅、相位和偏振态的空间分布,人们已经实现了光束异常折/反射、光束聚焦、全息成像、产生特种光束等功能。但是,在超表面研究领域,依然存在衍射效率低、对高折射率介质过于依赖、器件缺乏可调性等一些制约器件实用化的难题。针对这些问题,本文提出了基于双曲色散超材料（HMM）和石墨烯的解决方案。此外,利用超表面能够局域控制散射电磁波相位的能力,本文实现了亚波长小孔出射电磁波的高效定向准直。本文的主要研究内容和创新点如下:（1）在基于HMM的波前与偏振控制器的研究中,针对当前超表面领域存在的透射率低、依赖高折射率透明介质的问题,本文提出基于HMM波导的新型超表面可以实现高效的波前与偏振控制。首先,我们计算了HMM波导阵列模式的色散关系,并证明与介质超表面相比,HMM波导阵列无需依赖高折射率介质就可以实现更大的色散调节范围和等效折射率。此外,得益于HMM波导阵列的高阶衍射模式与波导基模之间的耦合,HMM波导阵列在实现高等效折射率的同时可以... 

【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：138 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
1 绪论
    1.1 超材料的简单回顾
    1.2 双曲色散超材料简介
    1.3 超表面简介
    1.4 石墨烯在超材料与超表面中的应用
    1.5 本论文的研究内容及创新点
2 理论基础
    2.1 HMM 波导/波导阵列模式的理论计算
    2.2 石墨烯的仿真模型
    2.3 金属/介质/石墨烯/空气波导
    2.4 本章小结
3 基于双曲色散超材料的波前与偏振控制器
    3.1 引言
    3.2 HMM 实现波前与偏振控制的原理
    3.3 基于 HMM 的波前控制器
    3.4 基于 HMM 的偏振控制器
    3.5 本章小结
4 利用超表面实现亚波长小孔出射电磁波的准直
    4.1 引言
    4.2 基于超表面的微波小孔出射电磁波准直器
    4.3 基于超表面的光频小孔出射光波准直器
    4.4 本章小结
5 基于石墨烯超表面的动态耦合器与波前控制器
    5.1 引言
    5.2 基于石墨烯超表面的动态 SPP 耦合器
    5.3 基于石墨烯超表面的偏振可切换波前控制器
    5.4 数值仿真方法
    5.5 本章小结
6 全文总结与工作展望
    6.1 全文总结
    6.2 后续工作展望
致谢
参考文献
附录1 攻读博士学位期间发表(提交)论文目录
附录2 缩略词汇表



本文编号：3290764