光學超材料結構單元設計及其性能研究.pdf

1、近年來，左手材料由于其奇特的電磁性質在電磁學、材料科學、固體物理學和光學領域獲得了廣泛的關注和研究。它的出現(xiàn)打破了許多常規(guī)的物理思想，成為當前國際電磁學領域的前沿課題之一。與自然材料相比，左手材料具有一系列“違反”常規(guī)思想的電磁特性，如負折射率、后向波特性、逆多普勒效應、逆古斯-漢欣位移和逆切倫科夫輻射現(xiàn)象等。左手材料在諧振器件、吸波器、濾波器、功率耦合器件、電磁誘導、隱身、完美透鏡以及天線等微波、光子器件領域的應用前景十分看好。

2、>　　本論文從超材料的兩種最基本的單元結構——金屬桿和開口諧振環(huán)出發(fā)，提出了一種三維各向同性的超材料結構，分別設計了微波段和光頻尺寸的超材料結構，討論了它們的電磁響應性質。并且以降低損耗為原則，又把它改變成內部絕緣態(tài)、外層金屬態(tài)的拓撲超材料結構，并討論了它在光頻的電磁響應特性。后面采用自下而上的模板輔助的電化學沉積法制備了一種上下金屬層非完全對稱的類似雙漁網結構，同時采用仿真和實驗分析了它在光頻的物理特性。最后仿真設計了一種具有寬頻負折

3、射率的雙漁網結構。論文的研究工作主要涉及以下幾個方面：
　　1.基于超材料最基本的開口諧振環(huán)結構，通過變形設計了一種“U”形環(huán)結構，然后把幾個“U”形環(huán)組合成一種二維各向同性的球刺狀超材料結構，再進一步變換成三維各向同性的超材料結構。根據(jù)有效媒質理論的參數(shù)計算，仿真分析發(fā)現(xiàn)它們在微波段的電磁諧振能夠實現(xiàn)負折射率?？疾炱渲C振電流的分布和諧振特性，提出“疇”結構超材料的概念。
　　2.在光頻采用金屬的Drude模型，通過縮小和調

4、節(jié)幾何結構參數(shù)，把三維球刺超材料結構的響應頻率由微波段提升到光頻段。根據(jù)其諧振電流的特性，把它視為一種簇結構超材料，其基本組成原子為金屬桿和“U”形環(huán)?？紤]到在超材料制備中由于制備誤差會導致結構尺寸出現(xiàn)偏差，因此又研究了當周期性球刺結構陣列中出現(xiàn)部分球刺的尺寸縮小時所帶來的影響。最后把大的簇結構球刺縮小到亞波長尺寸，通過調節(jié)幾何結構參數(shù)分別研究了其在紅光和藍光的響應特性。
　　3.為了降低超材料中由塊體均質金屬引起的較大的損耗，我

5、們參考拓撲絕緣體結構，把均質金屬的球刺狀超材料結構改變成內部絕緣態(tài)、表層金屬態(tài)的拓撲超材料結構。分別仿真討論了內部絕緣質電容率的大小和外層金屬厚度對超材料諧振特性的影響，為拓撲超材料結構的設計找出理論依據(jù)和設計準則。同時也考察了當周期性球刺結構陣列中出現(xiàn)部分球刺大小發(fā)生變化時所帶來的影響。
　　4.建立了Ag-PVA-Ag非完全對稱的超材料結構模型，首先仿真證實了當其滿足一定范圍內的非對稱度時可以實現(xiàn)光頻負折射率。以此作為依據(jù)和指

6、導，我們采用模板自組裝電化學沉積法制備了兩種不同尺寸大小的超材料樣品，分別在紅光和綠光波段響應。同時為了考察活性介質RhB對超材料結構所帶來的影響，每一組樣品都包含了在PVA介質中摻雜和不摻雜RhB的兩種樣品作為對照。
　　5.我們對未摻雜RhB的綠光響應的樣品，通過測量其透射、反射的大小和相位曲線，利用有效媒質的反演參數(shù)法計算了有效電磁參數(shù)，得到它在綠光波段的負折射率，證實了Ag-PVA-Ag非完全對稱結構的負折射率響應特性和制

7、備方法的可靠性。
　　6.對制備的兩組超材料樣品都進行了兩個對照實驗：可見光400-800nm波長范圍內的透射測試和單色光對平板樣品的透射實驗。比較這兩種實驗中摻雜與不摻雜RhB的兩種樣品的實驗結果，發(fā)現(xiàn)摻雜RhB的樣品表現(xiàn)出更明顯的透射行為，最后對結果進行了分析，并對RhB在超材料結構中所起的作用給出了兩種可能的解釋。
　　7.在雙漁網結構的基礎上，把均勻大小的網孔改變成16種大小的網孔，仿真實現(xiàn)了紅、橙、黃、綠四個色光波