人工电磁介质对电磁波的调控

发布时间：2017-08-14 04:17

  本文关键词：人工电磁介质对电磁波的调控

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【摘要】：人工电磁介质的出现突破了自然材料的限制,能够获得超常的电磁参数,如负折射率、零折射率和双曲各向异性,从而导致许多新奇的现象和独特的应用,比如电磁隐身、波阵面调控、异常光线偏折等。随着人工电磁介质研究的深入,人们正朝着随心所欲调控电磁波的梦想一步步前进。在本论文中,我们研究了人工电磁介质对电磁波的调控,主要包括宽带吸波材料、偏振转换以及单向表面等离子体激元(SPPs)耦合器三个方面。首先,在吸波的研究领域,我们从基于慢波效应的吸波材料入手,设计了工作在光波段的慢波宽带吸波材料。在此基础上,我们将多个不同尺寸的慢波结构单元设计在同一个周期中,综合所有共振单元的作用,进一步拓展了吸收带宽,并从实验上验证了这一方案。紧接着,我们充分利用了人工电磁介质电磁特性设计的灵活性,设计了一种在不同波段有不同属性的人工电磁介质(短波是各向异性高损耗介质,长波是双曲型介质),并提出了一种结合介质结构减反射特性和慢波效应的宽带吸波材料的设计方案。实验制备的二维样品能够在400nm到2.1μm的波段内吸收90%以上的垂直入射自然光,平均吸收率达到了96%；同时在长波范围(2.1μmλ4μm)仍然保持着85%以上的吸收率。最后,我们将慢波吸波结构拓展到了微波和太赫兹波段,分别设计和制备了二维金字塔阵列吸波材料,测试结果表明加工的样品可以在很宽的频段范围内实现高吸收,且吸收效果具有广角特性。第二,我们在近红外波段实现了基于人工电磁介质平面的反射式宽带半波片。仿真结果显示宽带半波片能够在800nm的带宽内将97%以上的垂直入射线偏振光转化为交叉极化的线偏振光,交叉极化反射率超过90%；测试结果表明半波片可以在很宽的入射角范围内保持宽带的偏振转化效果。接着,我们提出了一种能够将同极化和交叉极化反射光在空间上分离的方向性半波片。基本思路是将多个高效率的半波片单元集合在一个复杂单元内,得到线性的交叉极化反射光的相位梯度,从而将交叉极化反射光偏转特定的角度。实验研究表明基于相位梯度人工电磁介质平面的方向性半波片具有广角和宽带的工作特性。第三,我们介绍了能够将电磁波的传播模式和束缚模式(SPPs)紧密联系的相位梯度人工电磁介质平面,设计了工作在可见光波段(λ=690 nm)的单向SPPs耦合器,计算得到的耦合效率为45%。接着,我们得到了与入射光极化方向相关联的相位梯度。在此基础上,我们设计了两种偏振调制的SPPs耦合器：一种是偏振控制的SPPs路由器,当入射线偏振光的极化方向改变时,激发的SPPs的方向也随之改变；另外一种是多功能SPPs耦合器,通过改变入射线偏振光的极化方向,可以实现单向SPPs耦合到入射光异常反射的功能切换。最后,总结了全文,并对人工电磁介质的未来提出了展望。
【关键词】：人工电磁介质 人工电磁介质平面 宽带吸收 慢波效应 偏振转换 表面等离子体激元耦合器
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O441.4
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-12
• 第1章 绪论12-32
• 1.1 人工电磁介质的历史12-16
• 1.2 人工电磁介质对电磁波的调控应用16-29
• 1.2.1 变换光学研究16-18
• 1.2.2 广义Snell定律18-23
• 1.2.3 人工电磁介质吸波材料23-26
• 1.2.4 人工电磁介质对偏振特性的调控26-27
• 1.2.5 人工电磁介质对表面波的调控27-29
• 1.3 本论文的研究内容与创新点29-32
• 第2章 人工电磁介质的研究方法32-52
• 2.1 人工电磁介质的数值模拟方法32-36
• 2.1.1 计算方法和常用软件32-33
• 2.1.2 CST微波工作室的使用33-36
• 2.2 等效参数提取36-38
• 2.3 人工电磁介质的制备工艺38-48
• 2.3.1 整体工艺流程39-40
• 2.3.2 薄膜制备工艺40-42
• 2.3.3 微纳结构加工工艺42-48
• 2.4 人工电磁介质的测试平台48-51
• 2.5 本章小结51-52
• 第3章 基于人工电磁介质的宽带吸波材料52-94
• 3.1 基于多尺寸慢波结构的宽带吸波材料52-65
• 3.1.1 单一尺寸慢波结构的吸收特性52-59
• 3.1.2 多尺寸慢波结构的吸收特性59-64
• 3.1.3 结论64-65
• 3.2 基于混合效应的超宽带吸波材料65-76
• 3.2.1 理论模型和物理机理65-71
• 3.2.2 完美宽带吸收材料71-73
• 3.2.3 实验验证73-76
• 3.2.4 结论76
• 3.3 太赫兹波段宽带吸波材料76-86
• 3.3.1 仿真设计77-80
• 3.3.2 实验验证80-85
• 3.3.3 结论85-86
• 3.4 微波波段宽带吸波材料86-93
• 3.4.1 设计与实验验证86-89
• 3.4.2 物理机制89-92
• 3.4.3 结论92-93
• 3.5 本章小结93-94
• 第4章 基于人工电磁介质平面的偏振转换元件94-108
• 4.1 基于人工电磁介质平面的宽带半波片94-100
• 4.1.1 仿真设计94-96
• 4.1.2 实验验证96-98
• 4.1.3 物理机制98-100
• 4.2 基于人工电磁介质平面的方向性半波片100-105
• 4.2.1 仿真设计101-102
• 4.2.2 实验验证102-105
• 4.3 本章小结105-108
• 第5章 基于人工电磁介质平面的表面波耦合器108-118
• 5.1 单向SPPs耦合器108-113
• 5.1.1 理论和设计108-111
• 5.1.2 仿真验证111-113
• 5.2 偏振调制的SPPs路由器113-115
• 5.3 偏振调制的多功能SPPs耦合器115-117
• 5.4 本章小结117-118
• 第6章 总结和展望118-120
• 参考文献120-132
• 作者简介132-133
• 基本情况132
• 攻读博士学位期间发表的学术论文132-133
• 期刊论文132-133
• 会议论文133

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1 赵明v，

本文编号：670703