基于人工超材料與超表面的電磁波調(diào)控.pdf

1、近些年來，人工超材料及超表面的研究引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。通過設(shè)計(jì)不同的超材料及超表面結(jié)構(gòu)，人們可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的自由操控。本文主要從三個(gè)方面，包括電磁波的透射調(diào)控、吸收調(diào)控以及反射調(diào)控加以論述。具體內(nèi)容如下：
　　一、微波超材料的電磁透明現(xiàn)象。
　　通過兩類人工電磁超材料的設(shè)計(jì)，我們實(shí)現(xiàn)了對(duì)電磁信號(hào)的透射調(diào)控。一類設(shè)計(jì)是通過將兩塊刻有深亞波長狹縫陣列的金屬板層疊來實(shí)現(xiàn)電磁波的異常透射（EOT）現(xiàn)象。對(duì)于這樣的現(xiàn)象，我們分別

2、從微觀LC共振電路模型和宏觀有效介質(zhì)理論模型兩個(gè)不同的角度給予了相應(yīng)的物理解釋。另一類設(shè)計(jì)是利用層疊的平行金屬片來實(shí)現(xiàn)TM波在一系列類法布里-珀羅（FP）共振頻率處的完美透射。通過研究發(fā)現(xiàn)，此類結(jié)構(gòu)可以幫助設(shè)計(jì)各種多頻帶工作的變換光學(xué)器件，其原理是電磁波在縫的長度方向上形成類FP共振，在合適的透射頻率位置處，經(jīng)過器件內(nèi)部的電磁波可以同器件外自由傳播的電磁波的相位重新匹配起來。
　　二、基于透明導(dǎo)電薄膜的電阻性超表面的電磁吸收。

3、r>　　導(dǎo)電薄膜能通過自由載流子吸收（歐姆損耗）機(jī)制在深亞波長空間尺度上耗散電磁波，因此，也被稱為電阻性超表面（或ohmic sheet）。根據(jù)調(diào)控需要，其表面阻抗（即方塊電阻）可以設(shè)計(jì)為均勻的或者是空間漸變的。通過在微波頻率范圍研究超薄導(dǎo)電膜的吸收特性發(fā)現(xiàn)，如果我們讓薄膜的方塊電阻值滿足某種阻抗匹配條件，就可以實(shí)現(xiàn)50％的吸收極限。要想打破這樣的吸收極限，可以借助于相干完美吸收（CPA）的概念。實(shí)驗(yàn)上，我們讓兩束同振幅、同相位、同極化

4、方向的電磁波相對(duì)照射到方阻為180Ω的透明導(dǎo)電薄膜樣品上，從而實(shí)現(xiàn)了在6-18GHz范圍內(nèi)與頻率無關(guān)的近乎完美（~100%）吸收特性。需要特別指出的是，實(shí)驗(yàn)中導(dǎo)電薄膜的厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長，大約為λ/10000甚至更薄。同樣還是借助于相干照射的方法，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了單原子層石墨烯的完美電磁吸收。利用相干照射的波導(dǎo)系統(tǒng)，未經(jīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的單原子層石墨烯在整個(gè)X波段（7-13GHz）范圍內(nèi)吸收均可達(dá)到94%以上，并且在約8.3GHz頻率下實(shí)現(xiàn)了大

5、于99%的近乎完美吸收。
　　此外，我們還從實(shí)驗(yàn)和數(shù)值上證明了相干完美吸收可以在單束電磁波照射的情況下實(shí)現(xiàn)。我們提出在新的CPA系統(tǒng)裝置中用一個(gè)完美磁導(dǎo)體（PMC）表面作為一個(gè)鏡像邊界來取代兩束電磁波的相對(duì)照射。而這樣的PMC表面實(shí)際上可以利用高阻抗表面，比如蘑菇結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。然后通過將一片方塊電阻值為377Ω的透明導(dǎo)電膜放在PMC表面前邊就可以實(shí)現(xiàn)單束電磁波照射下的相干完美吸收。盡管等效的CPA裝置表現(xiàn)出來的是單頻或者窄頻帶的電磁

6、吸收特性，但這樣的PMC表面弱化了先前兩束電磁波相對(duì)照射的條件。
　　三、利用電阻性超表面（透明導(dǎo)電薄膜）的減反研究。
　　理論上提出了一類深亞波長尺度下減反射涂層的設(shè)計(jì)，在這樣的涂層內(nèi)部滿足了電場或磁場的切向分量連續(xù)。我們的理論模型給出了超薄減反涂層的有關(guān)參量，這就意味著各種類型的媒介包括導(dǎo)電薄膜、增益材料和零折射率材料在滿足一定條件時(shí)均可實(shí)現(xiàn)減反特性。特別的是，我們發(fā)現(xiàn)在射頻及微波頻率下超薄導(dǎo)電薄膜更加適合用作減反膜，并

7、且在實(shí)驗(yàn)上也證明了這樣的超薄導(dǎo)電膜（<λ/10000）可以實(shí)現(xiàn)寬帶（5-17GHz）、寬角度以及偏振無關(guān)的減反射特性。對(duì)于不同的襯底，可以通過調(diào)節(jié)導(dǎo)電薄膜的厚度和電導(dǎo)率來滿足減小反射的條件。有趣的是，當(dāng)加上這樣的涂層后，原本介質(zhì)板中的FP共振就可以被消除，進(jìn)而表現(xiàn)出了與頻率及厚度無關(guān)的反射和透射特性。這樣的特性可以用來改善帶有介質(zhì)外殼的天線輻射圖案。我們還進(jìn)一步在理論上指出10-25nm的Ti薄膜可以在紅外頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)寬帶、寬角度以及