基于超构表面的电磁波振幅和位相调控技术研究
发布时间：2022-02-18 20:53
超构表面（Metasurface）是一种新兴的亚波长人工电磁结构,其特征尺寸小于与之作用的电磁波波长。通过人工设计的结构排布方式和材料组成,超构表面可以在二维尺度上实现传统天然材料与复合材料难以实现的异常电磁响应,将人类调控电磁波的自由度提高到了一个新的层次。因此,超构表面自提出以来就受到了电磁学、光学以及光子学等领域的广泛关注。近年来的研究表明,基于超构表面的功能器件由于其高集成度、多功能化以及轻量化等特点在电磁通讯、计算全息、辐射调控和探测成像等领域相较于传统器件具有独特的优势。虽然近年来针对超构表面的研究已经取得了初步的成果,但由于该领域仍然缺乏普适的设计理论,同时超构表面与电磁波相互作用的机理还不完全明晰,因此,如何进一步提高超构表面器件的工作效率与工作带宽仍然是该领域亟待解决的关键问题。本文围绕电磁波的两个最基本参量——振幅和位相,开展了基于超构表面的电磁波振幅和位相调控技术研究,旨在兼顾超构表面器件固有优势前提下,提升器件的工作效率与带宽,主要研究工作包括以下几点:1、从基本电磁理论出发,通过分析特定形式下超构表面中的电场与阻抗分布,进一步发展了悬链线电磁学模型。利用该数理...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)四川省
【文章页数】：157 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
完美超构材料吸波器[49]
基于超构表面的电磁波振幅和位相调控技术研究42008年，美国波士顿大学W.J.Padilla研究小组首次提出了一种如图1.1（a）所示的新型超构表面吸波器，并将其命名为完美超构材料吸波器（Perfectmetamaterialabsorber）[49]。该结构由正面的金属环阵列、基板和背面的金属断线阵列组成；通过金属环引入电谐振，上下两层金属结构共同引入磁谐振，所设计结构在工作频率的阻抗可以接近于1，从而可以实现如图1.1（b）所示吸收率高达96%的近完美电磁吸收效果。由于所涉及材料的本征吸收率很低，因此该设计证实了超构表面对电磁波的吸收有显著的增强作用。图1.2MIM结构吸波器及其对应吸收效果[50]（a）MIM结构吸波器示意图。（b）不同金属损耗下的吸收效果。（c）不同液体折射率下的反射率分布。（d）对应的品质因数。Figure1.2MIM-typeabsorberandcorrespondingperformance[50](a)TheschematicimageoftheMIMabsorber.(b)Absoptionperformancewithdifferentmetallicloss.(c)Thereflectanceofdifferentrefractiveindexesoftheliquid.(d)Thecorrespondingfigureofmerit.
第1章绪论5在此基础上，国内外科学家们提出了多种类型的超构表面吸波器设计方法，其物理机理不仅仅局限于上述的电磁谐振调节。其中一类具有代表性的结构是利用金属-介质-金属（MIM）的排布方式实现电磁吸收[35,50–53]。2010年，德国斯图加特大学的H.Giessen小组提出了一种如图1.2所示的金（Au）-氟化镁（MgF2）-金的超构表面吸波器，上层金属为圆盘阵列，下方的介质和金属为膜层结构[50]。由于上下两层金属在工作频率处会产生很强的磁耦合，因此会极大地增强该频率处的电场强度，从而实现图1.2（b）中的完美吸收；另外，由于该谐振频点对环境折射率很敏感，因此该器件可以作为探测器实现如图1.2（c）-（d）所示的对液体折射率的测量。图1.3通过级联的方式实现宽带电磁吸收（a）利用超级单元实现宽带吸收的样品电镜图[54]。（b）不同样品对应吸收率[54]。（c）垂直方向级联金属贴片示意图[55]。（d）不同角度下对应吸收率[55]。Figure1.3Achievingbroadbandabsorptionwithcascadedabsorbers(a)TheSEMimagesforthesamplesconsistingofsupercells[54].(b)Thecorrespondingabsorptionofdifferentsamples[54].(c)Theschematicofcascadedmetasurfacesin
【参考文献】：
期刊论文
[1]超构天线:原理、器件与应用[J]. 马晓亮,李雄,郭迎辉,赵泽宇,罗先刚. 物理学报. 2017(14)
[2]衍射极限尺度下的亚波长电磁学[J]. 蒲明博,王长涛,王彦钦,罗先刚. 物理学报. 2017(14)
[3]超表面相位调控原理及应用[J]. 李雄,马晓亮,罗先刚. 光电工程. 2017(03)
[4]Symmetry breaking of photonic spin-orbit interactions in metasurfaces[J]. Fei Zhang,Mingbo Pu,Jun Luo,Honglin Yu,Xiangang Luo. 光电工程. 2017(03)
[5]表面等离子激元超构表面的研究进展[J]. 林佼,王大鹏,司光远. 光电工程. 2017(03)
[6]电磁超构材料色散调控研究进展[J]. 郭迎辉,蒲明博,马晓亮,李雄,罗先刚. 光电工程. 2017(01)
[7]Principles of electromagnetic waves in metasurfaces[J]. LUO XianGang. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2015(09)
本文编号：3631534
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)四川省
【文章页数】：157 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
完美超构材料吸波器[49]
基于超构表面的电磁波振幅和位相调控技术研究42008年，美国波士顿大学W.J.Padilla研究小组首次提出了一种如图1.1（a）所示的新型超构表面吸波器，并将其命名为完美超构材料吸波器（Perfectmetamaterialabsorber）[49]。该结构由正面的金属环阵列、基板和背面的金属断线阵列组成；通过金属环引入电谐振，上下两层金属结构共同引入磁谐振，所设计结构在工作频率的阻抗可以接近于1，从而可以实现如图1.1（b）所示吸收率高达96%的近完美电磁吸收效果。由于所涉及材料的本征吸收率很低，因此该设计证实了超构表面对电磁波的吸收有显著的增强作用。图1.2MIM结构吸波器及其对应吸收效果[50]（a）MIM结构吸波器示意图。（b）不同金属损耗下的吸收效果。（c）不同液体折射率下的反射率分布。（d）对应的品质因数。Figure1.2MIM-typeabsorberandcorrespondingperformance[50](a)TheschematicimageoftheMIMabsorber.(b)Absoptionperformancewithdifferentmetallicloss.(c)Thereflectanceofdifferentrefractiveindexesoftheliquid.(d)Thecorrespondingfigureofmerit.
第1章绪论5在此基础上，国内外科学家们提出了多种类型的超构表面吸波器设计方法，其物理机理不仅仅局限于上述的电磁谐振调节。其中一类具有代表性的结构是利用金属-介质-金属（MIM）的排布方式实现电磁吸收[35,50–53]。2010年，德国斯图加特大学的H.Giessen小组提出了一种如图1.2所示的金（Au）-氟化镁（MgF2）-金的超构表面吸波器，上层金属为圆盘阵列，下方的介质和金属为膜层结构[50]。由于上下两层金属在工作频率处会产生很强的磁耦合，因此会极大地增强该频率处的电场强度，从而实现图1.2（b）中的完美吸收；另外，由于该谐振频点对环境折射率很敏感，因此该器件可以作为探测器实现如图1.2（c）-（d）所示的对液体折射率的测量。图1.3通过级联的方式实现宽带电磁吸收（a）利用超级单元实现宽带吸收的样品电镜图[54]。（b）不同样品对应吸收率[54]。（c）垂直方向级联金属贴片示意图[55]。（d）不同角度下对应吸收率[55]。Figure1.3Achievingbroadbandabsorptionwithcascadedabsorbers(a)TheSEMimagesforthesamplesconsistingofsupercells[54].(b)Thecorrespondingabsorptionofdifferentsamples[54].(c)Theschematicofcascadedmetasurfacesin
【参考文献】：
期刊论文
[1]超构天线:原理、器件与应用[J]. 马晓亮,李雄,郭迎辉,赵泽宇,罗先刚. 物理学报. 2017(14)
[2]衍射极限尺度下的亚波长电磁学[J]. 蒲明博,王长涛,王彦钦,罗先刚. 物理学报. 2017(14)
[3]超表面相位调控原理及应用[J]. 李雄,马晓亮,罗先刚. 光电工程. 2017(03)
[4]Symmetry breaking of photonic spin-orbit interactions in metasurfaces[J]. Fei Zhang,Mingbo Pu,Jun Luo,Honglin Yu,Xiangang Luo. 光电工程. 2017(03)
[5]表面等离子激元超构表面的研究进展[J]. 林佼,王大鹏,司光远. 光电工程. 2017(03)
[6]电磁超构材料色散调控研究进展[J]. 郭迎辉,蒲明博,马晓亮,李雄,罗先刚. 光电工程. 2017(01)
[7]Principles of electromagnetic waves in metasurfaces[J]. LUO XianGang. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2015(09)
本文编号：3631534
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