光學(xué)超材料結(jié)構(gòu)單元設(shè)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(zhì)在電磁學(xué)、材料科學(xué)、固體物理學(xué)和光學(xué)領(lǐng)域獲得了廣泛的關(guān)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(dāng)前國際電磁學(xué)領(lǐng)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(fù)折射率、后向波特性、逆多普勒效應(yīng)、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(dǎo)、隱身、完美透鏡以及天線等微波、光子器件領(lǐng)域的應(yīng)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(jié)構(gòu)——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(jié)構(gòu)，分別設(shè)計了微波段和光頻尺寸的超材料結(jié)構(gòu)，討論了它們的電磁響應(yīng)性質(zhì)。并且以降低損耗為原則，又把它改變成內(nèi)部絕緣態(tài)、外層金屬態(tài)的拓?fù)涑牧辖Y(jié)構(gòu)，并討論了它在光頻的電磁響應(yīng)特性。后面采用自下而上的模板輔助的電化學(xué)沉積法制備了一種上下金屬層非完全對稱的類似雙漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)，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(shè)計了一種具有寬頻負(fù)折

3、射率的雙漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)，通過變形設(shè)計了一種“U”形環(huán)結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，再進(jìn)一步變換成三維各向同性的超材料結(jié)構(gòu)。根據(jù)有效媒質(zhì)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?qū)崿F(xiàn)負(fù)折射率?？疾炱渲C振電流的分布和諧振特性，提出“疇”結(jié)構(gòu)超材料的概念。
　　2.在光頻采用金屬的Drude模型，通過縮小和調(diào)

4、節(jié)幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，把三維球刺超材料結(jié)構(gòu)的響應(yīng)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(jié)構(gòu)超材料，其基本組成原子為金屬桿和“U”形環(huán)。考慮到在超材料制備中由于制備誤差會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)尺寸出現(xiàn)偏差，因此又研究了當(dāng)周期性球刺結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)球刺縮小到亞波長尺寸，通過調(diào)節(jié)幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)分別研究了其在紅光和藍(lán)光的響應(yīng)特性。
　　3.為了降低超材料中由塊體均質(zhì)金屬引起的較大的損耗，我

5、們參考拓?fù)浣^緣體結(jié)構(gòu)，把均質(zhì)金屬的球刺狀超材料結(jié)構(gòu)改變成內(nèi)部絕緣態(tài)、表層金屬態(tài)的拓?fù)涑牧辖Y(jié)構(gòu)。分別仿真討論了內(nèi)部絕緣質(zhì)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?fù)涑牧辖Y(jié)構(gòu)的設(shè)計找出理論依據(jù)和設(shè)計準(zhǔn)則。同時也考察了當(dāng)周期性球刺結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)模型，首先仿真證實了當(dāng)其滿足一定范圍內(nèi)的非對稱度時可以實現(xiàn)光頻負(fù)折射率。以此作為依據(jù)和指

6、導(dǎo)，我們采用模板自組裝電化學(xué)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(yīng)。同時為了考察活性介質(zhì)RhB對超材料結(jié)構(gòu)所帶來的影響，每一組樣品都包含了在PVA介質(zhì)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(yīng)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(zhì)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(fù)折射率，證實了Ag-PVA-Ag非完全對稱結(jié)構(gòu)的負(fù)折射率響應(yīng)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(jìn)行了兩個對照實驗：可見光400-800nm波長范圍內(nèi)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(jié)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(jié)果進(jìn)行了分析，并對RhB在超材料結(jié)構(gòu)中所起的作用給出了兩種可能的解釋。
　　7.在雙漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，把均勻大小的網(wǎng)孔改變成16種大小的網(wǎng)孔，仿真實現(xiàn)了紅、橙、黃、綠四個色光波