寬頻各向同性的高折射率超材料的設(shè)計(jì)與制備.pdf

1、超材料是由周期性排列的亞波長(zhǎng)尺度的共振結(jié)構(gòu)單元組成的人造材料。通過(guò)合理設(shè)計(jì)共振單元的結(jié)構(gòu)，人們可以控制超材料的電磁特性，使之具有自然材料所不具備的特殊光學(xué)性能。近十年來(lái)，人們對(duì)超材料展開(kāi)了廣泛地研究，主要集中于左手材料、光子晶體等方面，而對(duì)于高折射率超材料的研究較少，僅在最近開(kāi)始了對(duì)其實(shí)驗(yàn)上的探索。設(shè)計(jì)一種各向同性超材料，使之在較寬頻譜范圍內(nèi)具有高折射率，能為今后的器件制備提供更大的靈活性，因此對(duì)寬頻各向同性高折射率超材料的研究具有十分

2、重要的意義。
　　本文針對(duì)上述電磁超材料的研究不足，從模擬和實(shí)驗(yàn)兩方面對(duì)寬頻各向同性高折射率超材料進(jìn)行了探索和分析。具體包括以下內(nèi)容：
　　在模擬上設(shè)計(jì)了一種“工”字型二維結(jié)構(gòu)超材料，并將其拓展到三維結(jié)構(gòu)超材料。首先，采用基于有限元算法的數(shù)值模擬軟件COMSOL對(duì)“工”字型超材料在平面波垂直入射下的諧振特性進(jìn)行了分析，同時(shí)研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其電磁性能的影響；利用S參數(shù)反演法提取有效參數(shù)，獲得了該結(jié)構(gòu)的有效折射率，證明了該二維超

3、材料具有高折射率；通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，獲得了性能最優(yōu)的二維高折射率超材料。進(jìn)一步，將上述獲得的二維超材料擴(kuò)展為多層三維結(jié)構(gòu)，同時(shí)提高結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，使之具有寬頻、各向同性的特征。經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在入射光為 TE與 TM偏振時(shí)，設(shè)計(jì)的三維超材料的折射率峰值分別達(dá)到67.9和66.9，并且折射率的半高寬均達(dá)到2.0 THz以上；此外，該三維超材料具有較低的吸收損耗，在兩種入射光偏振模式下其品質(zhì)因子均達(dá)到15.0以上。
　　在實(shí)驗(yàn)中制備了二維