手性超材料的偏振特性研究.pdf

1、為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的操控，人們利用自然界中性能各異的材料設(shè)計(jì)了各種各樣的人工結(jié)構(gòu)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(guó)內(nèi)外物理學(xué)研究的熱點(diǎn)，其研究范圍已涉及到材料科學(xué)、光學(xué)以及納米科學(xué)等。超材料是一種人為設(shè)計(jì)的周期性結(jié)構(gòu)材料，并在遠(yuǎn)大于周期的波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有某種自然界中不存在或構(gòu)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(yīng)用于光

2、譜學(xué)、分析化學(xué)、結(jié)晶學(xué)、分子生物學(xué)等領(lǐng)域。通過具體設(shè)計(jì)，手性同樣能夠存在于超材料中。手性超材料不僅相對(duì)于自然手性媒質(zhì)具有更強(qiáng)的旋光性，還可以產(chǎn)生在自然手性媒質(zhì)中不存在的負(fù)折射率和圓轉(zhuǎn)換二向色性等新特性。隨著手性超材料的設(shè)計(jì)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(zhuǎn)換二向色性出現(xiàn)的條件，提供手性超材料的設(shè)計(jì)原理，并且最終用于設(shè)計(jì)實(shí)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(duì)稱雙開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的手性超材料的圓二

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

4、電磁波向圓偏振電磁波的轉(zhuǎn)換。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴研究了手性超材料的圓二向色性。對(duì)于螺旋超材料，第一，設(shè)計(jì)了基于橢圓螺旋超材料的橢圓偏振器，擴(kuò)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(jié)果可用于光波段的橢圓偏振器和圓偏振器；對(duì)于雙層不對(duì)稱雙開口諧振環(huán)，設(shè)計(jì)了兩種具有這一圓二向色性的雙層結(jié)構(gòu)，該結(jié)果可應(yīng)用為微波段的圓偏振器；⑵研究了螺旋超材料的圓轉(zhuǎn)換二向色性。發(fā)現(xiàn)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(zhuǎn)換二向色性，并通過紅外波段的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。該結(jié)構(gòu)可用于光波段的圓偏振轉(zhuǎn)換器；⑶研究了雙層不對(duì)稱雙開口諧振環(huán)的圓轉(zhuǎn)換二向色性。設(shè)計(jì)了兩種雙層結(jié)構(gòu)，它們的圓轉(zhuǎn)換二向色性遠(yuǎn)強(qiáng)于單層不對(duì)稱雙開口諧振環(huán)。該結(jié)構(gòu)可用于微波段的圓偏振轉(zhuǎn)換器；⑷分析并總結(jié)了具有各種對(duì)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(shè)計(jì)提供了參考和依據(jù)；并總結(jié)了圓二向色性和圓轉(zhuǎn)換二向色性各自出現(xiàn)的必要條件，以及它們各自單獨(dú)存在的必要條件；⑸