介質(zhì)基人工電磁表面的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究.pdf

1、隨著微納加工技術(shù)的發(fā)展和對電磁波研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)可以利用微納結(jié)構(gòu)控制電磁波的傳播行為，實(shí)現(xiàn)自然界中材料無法產(chǎn)生的特殊現(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)許多新的現(xiàn)象和應(yīng)用。這種微納結(jié)構(gòu)材料被稱為人工電磁材料，人工電磁表面是人工電磁材料的二維實(shí)現(xiàn)形式，作為人工電磁材料的重要方向之一，人工電磁表面具有損耗低，加工方便等一系列優(yōu)勢，基于人工電磁表面的應(yīng)用包括電磁隱身，光的異常折射，全息圖，平面透鏡等。在本論文中，我們對介質(zhì)基人工電磁表面在電磁波調(diào)控方面進(jìn)行了研

2、究。主要包括線偏振光自旋分束器件的設(shè)計(jì)，人工電磁表面透鏡的設(shè)計(jì)研究，基于石墨烯表面對入射紅外光透過率的調(diào)控研究等。
　　首先，我們在近紅外波段利用人工電磁表面實(shí)現(xiàn)了透射式光子自旋霍爾效應(yīng)。從瓊斯矩陣出發(fā)，利用坐標(biāo)變換計(jì)算出線偏振光自旋分束的透射式人工電磁表面結(jié)構(gòu)的兩種實(shí)現(xiàn)條件，基于計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)了人工電磁表面結(jié)構(gòu)的具體實(shí)現(xiàn)方式，并在1550 nm工作波長下進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。然后，我們通過引入背景相位梯度同時(shí)將出射旋光偏折一個(gè)角度，從而

3、達(dá)到非對稱自旋分束效果。在這項(xiàng)工作的基礎(chǔ)上，受到編碼式人工電磁表面設(shè)計(jì)思路的啟發(fā)，我們設(shè)計(jì)了可調(diào)型的人工電磁表面結(jié)構(gòu)，它可以通過入射線偏振光偏振方向的改變來調(diào)制出射圓偏振光的方向。
　　其次，我們擴(kuò)展了全息Gerchberg-Saxton(G-S)迭代算法的應(yīng)用范圍。研究了人工電磁表面在計(jì)算全息圖方面的應(yīng)用，目前普遍采用的計(jì)算全息圖的方法為G-S迭代算法，即通過全息面和目標(biāo)像面通過菲涅爾衍射算法反復(fù)迭代優(yōu)化，最終獲得全息面的相位分

4、布。我們在此基礎(chǔ)上，通過設(shè)置兩個(gè)目標(biāo)面，在兩個(gè)目標(biāo)面和全息面之間進(jìn)行反復(fù)迭代優(yōu)化，最終獲得的人工電磁表面可以在入射平行光的照射下產(chǎn)生一束光在不同位置呈現(xiàn)出不同的平面信息，并通過Matlab計(jì)算驗(yàn)證。
　　接著，我們討論了人工電磁表面透鏡相對于菲涅爾透鏡的優(yōu)勢，在單個(gè)人工電磁表面透鏡上解決了多波長工作的問題。研究了基于介質(zhì)的人工電磁表面透鏡和傳統(tǒng)菲涅爾透鏡在相關(guān)性能上的差異，通過仿真驗(yàn)證，我們發(fā)現(xiàn)在色散方面兩種透鏡相同，都是基于類光

5、柵式的設(shè)計(jì)思路。但是在大數(shù)值孔徑下，人工電磁表面透鏡在聚焦效率，衍射抑制等方面均優(yōu)于菲涅爾透鏡。并且針對目前人工電磁表面透鏡色散較大的問題，我們設(shè)計(jì)了能同時(shí)工作在紅綠藍(lán)(RGB)三個(gè)波長下的多通道人工電磁表面透鏡，通過設(shè)置濾光片的方式避免了不同的通道之間產(chǎn)生的干擾問題，在單個(gè)透鏡上解決了多波長工作的問題。并通過仿真對聚焦效果進(jìn)行了驗(yàn)證。由于人工電磁表面透鏡的優(yōu)勢在于超薄超輕，因此非常適合應(yīng)用于航空航天，導(dǎo)彈導(dǎo)引等對成像系統(tǒng)的質(zhì)量體積有特