基于石墨烯超构表面的异常折反射研究

摘要

超构材料也被称为人工复合材料，能够实现很多自然材料无法达到的光学特性，如负折射、完美棱镜、梯度相位和光学隐身等。而超构表面是基于超构材料的一种新的设计思路，缩小了结构的尺寸，并能够有效的控制电磁波波前。超构表面能够产生与结构和波长相关的相移，满足波前控制的两个条件:一是有稳定的偏振转换效率;二是相位覆盖范围为0到2π。石墨烯作为近几年的热门材料，在外加电压下有可调谐性能，是作为可调谐的首选材料。本文将展开对石墨烯梯度相位超构表面特性的研究，探讨梯度相位超构表面的设计过程，以及石墨烯可调谐性和其他方面的应用。主要工作如下: (1)主要研究了石墨烯梯度相位超构表面的电磁响应原理、广义的反射定律和折射定律、相位梯度的调控。总结了异常折射和异常反射的条件，探讨了石墨烯理论模型和仿真方法。 (2)设计了口字型石墨烯梯度相位超构表面，垂直入射时同时实现异常折射和异常反射。在太赫兹波段，垂直入射得到的异常反射强度和异常折射强度均为0.3。由于横向梯度相位的存在，出现异常反射角和折射角，且随着入射频率和入射角度的不同，异常反射角和折射角也随之变化。此外，费米能级从0.5增加到1.5eV，在0.5至1THz的宽频率范围内，异常转换振幅总是可以保持在约0.3以上，实现动态调控。 (3)设计了条形型石墨烯梯度相位超构表面，能够在圆偏振波垂直入射时同时实现异常折射和异常反射。通过对结构几何参数的设计，使其在太赫兹波段对左旋圆偏振和右旋圆偏振入射时同时产生大小相同的异常折射和异常反射。石墨烯费米能级为0.95eV时，异常反射和异常折射强度均为0.28。在0.9THz到1.5THz异常折反射效率保持为0.28，实现同时对圆偏振异常折射和异常反射的动态调控。 (4)设计了条形石墨烯梯度相位超构表面，能够在圆偏振波垂直入射时实现较高效率的异常反射。基于之前的结构模型加入金属背板，使其在太赫兹波段对圆偏振入射时实现较高的异常反射效率。当石墨烯费米能级为0.95eV时，异常反射效率值为0.46。随着石墨烯的费米能级增加，1.5THz-2.5THz之间保持较大转换效率，实现同时对圆偏振异常折射和异常反射的动态调控。