基于人工超材料與超表面的電磁波調控.pdf

1、近些年來，人工超材料及超表面的研究引起了學術界的廣泛關注。通過設計不同的超材料及超表面結構，人們可以實現(xiàn)對電磁波的自由操控。本文主要從三個方面，包括電磁波的透射調控、吸收調控以及反射調控加以論述。具體內容如下：
　　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計，我們實現(xiàn)了對電磁信號的透射調控。一類設計是通過將兩塊刻有深亞波長狹縫陣列的金屬板層疊來實現(xiàn)電磁波的異常透射（EOT）現(xiàn)象。對于這樣的現(xiàn)象，我們分別

2、從微觀LC共振電路模型和宏觀有效介質理論模型兩個不同的角度給予了相應的物理解釋。另一類設計是利用層疊的平行金屬片來實現(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)，此類結構可以幫助設計各種多頻帶工作的變換光學器件，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，經過器件內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、基于透明導電薄膜的電阻性超表面的電磁吸收。

3、r>　　導電薄膜能通過自由載流子吸收（歐姆損耗）機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)調控需要，其表面阻抗（即方塊電阻）可以設計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。實驗上，我們讓兩束同振幅、同相位、同極化

4、方向的電磁波相對照射到方阻為180Ω的透明導電薄膜樣品上，從而實現(xiàn)了在6-18GHz范圍內與頻率無關的近乎完美（~100%）吸收特性。需要特別指出的是，實驗中導電薄膜的厚度遠遠小于波長，大約為λ/10000甚至更薄。同樣還是借助于相干照射的方法，我們在實驗上實現(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系統(tǒng)，未經結構設計的單原子層石墨烯在整個X波段（7-13GHz）范圍內吸收均可達到94%以上，并且在約8.3GHz頻率下實現(xiàn)了大

5、于99%的近乎完美吸收。
　　此外，我們還從實驗和數(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現(xiàn)。我們提出在新的CPA系統(tǒng)裝置中用一個完美磁導體（PMC）表面作為一個鏡像邊界來取代兩束電磁波的相對照射。而這樣的PMC表面實際上可以利用高阻抗表面，比如蘑菇結構來實現(xiàn)。然后通過將一片方塊電阻值為377Ω的透明導電膜放在PMC表面前邊就可以實現(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照射的條件。
　　三、利用電阻性超表面（透明導電薄膜）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計，在這樣的涂層內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參量，這就意味著各種類型的媒介包括導電薄膜、增益材料和零折射率材料在滿足一定條件時均可實現(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電薄膜更加適合用作減反膜，并

7、且在實驗上也證明了這樣的超薄導電膜（<λ/10000）可以實現(xiàn)寬帶（5-17GHz）、寬角度以及偏振無關的減反射特性。對于不同的襯底，可以通過調節(jié)導電薄膜的厚度和電導率來滿足減小反射的條件。有趣的是，當加上這樣的涂層后，原本介質板中的FP共振就可以被消除，進而表現(xiàn)出了與頻率及厚度無關的反射和透射特性。這樣的特性可以用來改善帶有介質外殼的天線輻射圖案。我們還進一步在理論上指出10-25nm的Ti薄膜可以在紅外頻率范圍內實現(xiàn)寬帶、寬角度以及