可调控超材料的电磁波传输及近场分布研究

摘要

超材料是一种人工复合结构或者材料，它由亚波长尺寸的单元结构周期排列而成，具备自然界材料所不具备的电磁特性。超材料的频谱响应主要由单元结构的形状和尺寸决定，因此改变超材料单元的结构参数可以实现对电磁波远场传输频谱的改变。此外，超材料可以将入射电磁（光）场聚集到一个狭小空间范围内，使得电磁（光）场在近场产生局域场增强效应，并且在谐振频率处强度达到最大。
　　本论文研究了可控超材料的结构、电磁波远场传输特性和近场局域场增强现象。超材料的单元结构为外场可调控功能介质-金属图形的混合结构，通过外场激励改变功能介质的性质实现对超材料单元结构参数的调控，进而达到对混合超材料的远场传输频谱、近场强度与分布调控的目的，由于调控介质的尺寸限制仅在微波段或太赫兹波段验证了器件的调控特性。具体研究内容与发现如下：
　　1.模拟电磁感应透明的微波、太赫兹波超材料。（1）设计了嵌套开口谐振环结构，利用内开口环与外开口环谐振模式的相干相消，模拟了电磁感应透明现象，该结构在在微波波段具有偏振非敏感和高 Q值的特点。（2）将 PIN二极管与金属短线阵列集成，利用偏置电压改变 PIN二极管的开关状态来控制金属短线之间模式的耦合效率，在微波波段实现了电磁感应透明现象的高速连续电调控，并且可以获得较高的调制深度（80％以上）和较快的开关响应（10-9 s）；另外，（3）二氧化钒（VO2）在外场激励下会发生金属绝缘相变（MIT），采用 VO2作为调控介质与金属短线结构组合成为混合超材料，通过温度激发VO2的相变改变金属短线结构之间模式的耦合效率，在太赫兹波段验证了电磁感应透明现象的温度调控。
　　2.太赫兹波超材料可开关吸收器。传统的超材料吸收器为金属薄膜-介质-谐振单元三层结构，用VO2薄膜替换吸收器结构的底层金属薄膜，利用VO2的MIT相变改变吸收器介质层上下两层结构之间的谐振特性，进而实现对超材料吸收器的开关控制。VO2相变前后吸收器的开关比可以达到98.3%；同时，十字结构的谐振单元使器件具备偏振非敏感和大角度入射的特性。
　　3.太赫兹波超材料器及其远场传输频谱、近场分布调控。超材料金属谐振单元为开口谐振环、条状VO2被置于开口谐振环的开口边缘，VO2的MIT相变可以改变开口谐振环的等效电容，根据LC谐振计算公式，超材料的谐振频率随着电容的改变而发生变化，因此条状VO2和开口谐振环构成的混合超材料具备双带调制功能。在近场研究方面，局域场增强效应发生在开口谐振环开口附近，VO2的MIT相变可以对局域电场的强度和空间尺度实现调控；同时这种设计也大大降低了增强的局域电场击穿功能材料的风险，提高了器件的稳定性。

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1 绪 论

1.1 超材料的定义

1.2 超材料的谐振理论

1.3 外场可控超材料研究进展

1.4 超材料近场增强研究

1.5 本论文研究内容

2 微波电磁感应透明超材料

2.1 电磁感应透明现象

2.2 微波高Q值偏振非敏感电磁感应透明超材料

2.3 微波高速可调电磁感应透明超材料

2.4 本章小结

3 基于电磁感应透明的太赫兹波超材料调制器

3.1 太赫兹波超材料概述

3.2 二氧化钒薄膜概述

3.3 太赫兹波电磁感应透明超材料调制器

3.4 本章小结

4 太赫兹波超材料可开关吸收器

4.1 超材料吸收器概述

4.2 超材料吸收器原理

4.4 本章小结

5 太赫兹波超材料双带调制器及近场分布

5.2 太赫兹波超材料双带调制器的频谱响应

5.3 太赫兹波超材料双带调制器的近场研究

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文内容总结

6.2 未来工作展望

致谢

参考文献

附录 攻读博士学位期间发表的科研成果