手性超材料的偏振特性研究.pdf

1、為了實現對電磁波的操控，人們利用自然界中性能各異的材料設計了各種各樣的人工結構材料，比如光纖、衍射光柵和光子晶體等。2000年以來，一種被稱為超材料（Metamaterials）的人工材料迅速成為國內外物理學研究的熱點，其研究范圍已涉及到材料科學、光學以及納米科學等。超材料是一種人為設計的周期性結構材料，并在遠大于周期的波長范圍內具有某種自然界中不存在或構成材料不具備的特性。手性是指物體與其鏡像不能重合的特性。手性材料的旋光性已應用于光

2、譜學、分析化學、結晶學、分子生物學等領域。通過具體設計，手性同樣能夠存在于超材料中。手性超材料不僅相對于自然手性媒質具有更強的旋光性，還可以產生在自然手性媒質中不存在的負折射率和圓轉換二向色性等新特性。隨著手性超材料的設計越來越多，目前有必要系統(tǒng)地分析手性超材料的圓二向色性和圓轉換二向色性出現的條件，提供手性超材料的設計原理，并且最終用于設計實際所需的圓偏振態(tài)控制器件。本文首先分別分析了基于螺旋和不對稱雙開口諧振環(huán)結構的手性超材料的圓二

3、向色性和圓轉換二向色性，并分別在光波段和微波段進行了試驗研究，其中，螺旋超材料利用激光直寫系統(tǒng)和電化學沉積制備，而不對稱雙開口諧振環(huán)利用傳統(tǒng)光刻技術制備；其次，在總結了本文中的內容和近年來手性超材料的研究進展的基礎上，本論文分析了具有各種對稱性的手性超材料不同的圓偏振特性；然后進一步分別總結了實現圓二向色性和圓轉換二向色性的完備條件；最后，根據文中的分析總結，提出了同時具有圓二向色性和圓轉換二向色性的手性超材料，其能實現高轉換率的線偏振

4、電磁波向圓偏振電磁波的轉換。
　　本研究主要內容包括：⑴研究了手性超材料的圓二向色性。對于螺旋超材料，第一，設計了基于橢圓螺旋超材料的橢圓偏振器，擴寬了螺旋超材料的適用范圍。第二，提高了單螺旋超材料的信噪比。該結果可用于光波段的橢圓偏振器和圓偏振器；對于雙層不對稱雙開口諧振環(huán)，設計了兩種具有這一圓二向色性的雙層結構，該結果可應用為微波段的圓偏振器；⑵研究了螺旋超材料的圓轉換二向色性。發(fā)現了左旋右旋組合螺旋超材料在紅外波段具有寬帶的

5、圓轉換二向色性，并通過紅外波段的實驗進行了驗證。該結構可用于光波段的圓偏振轉換器；⑶研究了雙層不對稱雙開口諧振環(huán)的圓轉換二向色性。設計了兩種雙層結構，它們的圓轉換二向色性遠強于單層不對稱雙開口諧振環(huán)。該結構可用于微波段的圓偏振轉換器；⑷分析并總結了具有各種對稱性的手性超材料的傳輸矩陣、本征偏振態(tài)和圓偏振特性，為今后的手性超材料的設計提供了參考和依據；并總結了圓二向色性和圓轉換二向色性各自出現的必要條件，以及它們各自單獨存在的必要條件；⑸