全息技术制备光学波段特异介质的设计与实现

摘要

特异介质(Metamaterials)是一种人工构造的合成材料，其结构单元远远小于响应波长，并表现出自然界现有材料所不具备的光学特性，例如负折射率。另外，该材料的特殊性质也使其拥有巨大的应用前景，比如超分辨成像，光学隐身等。因此特异介质作为一种新型的功能材料已经引起了国内外研究者的极大关注。本文基于单棱镜全息干涉技术，一方面根据金属板对结构的磁响应与其尺寸的关系，设计并制备了具有可调谐性的磁性材料，并更进一步得到了同时在多个频带具有磁响应的特异介质。另一方面，为了得到负折射率，还制备了具有较低损耗的X孔型特异介质。本文的具体工作分为以下几个方面: 1.具有可调谐性的磁性特异介质 特异介质的电磁特性与其单元结构尺寸密切相关。根据椭圆板对结构在近红外波段的LC回路模型，椭圆板对的轴长、中间层电介质的厚度及介电常:都可以对椭圆板对结构的磁响应共振波长进行调节。但利用电介质的参数将磁响应共振波长往短波段调节，均会出现极限值且增大电介质厚度会减弱磁响应的强度，而椭圆板对结构轴长与其磁响应的共振波长呈线性关系，可有效便捷地调节磁响应。因此通过改变椭圆板对的轴长，可实现从1260nm到2100nm磁响应共振调节。另外，椭圆板对结构的偏振测试表明，当旋转入射光偏振方向于短轴和长轴之间时，椭圆板对结构会出现两个固定的磁响应共振峰，其峰值位置分别由其长短轴的轴长决定。 2.多通道磁性特异介质 在制各样品的过程中，镀膜和剥离环节会造成样品具有大约200的斜坡角。对具有椭圆孔阵列的掩模板轮流堆叠金属电介质多层膜，然后利用剥离技术，可得到一种功能层大小变化的多层椭圆板对结构。测试和计算表明，该结构在近红外显示出多个明显的共振峰。通过理论分析发现，这些共振峰是由不同大小的功能层产生。这是由于在较大的斜坡角度下，每个功能层相对独立。因此根据椭圆板对轴长与磁响应共振波长的线性关系，不同大小的功能层会在不同的波段实现磁响应。反推出的等效磁导率也证实了该结构在多个频带同时具有磁响应特性，并在磁共振的较短波段实现了负磁导率。另外还研究了倾斜角对于实现多频带磁响应共振的影响，结果表明随着倾斜角变小，功能层之间的相互作用增强，磁响应将表现为多个功能层的集体效应，进而不利于获得多通道的磁性特异介质。 3.X孔型低损耗负折射率特异介质 基于全息干涉法设计并制备了X孔型特异介质。在实验中通过控制曝光量，可使金属线宽与板对大小达到较佳配比，以实现较小的损耗。测试和计算的结果均显示X孔型特异介质在2000nm附近具有较强的电磁响应。反推的等效电磁参数表明，介电常数和磁导率同时为负，且X孔型特异介质在1860nm到2220nm的360nm的较大范围内实现了负折射率。在1860nm到2120nm介电常数和磁导率同时为负的范围内，体现损耗的品质因子均大于1，即得到了较低损耗的负折射率特异介质。例如在2040nm，品质因子达到了最大值2.74，此时透过率有62％。

目录

声明

摘要

第一章引言

1．1特异介质的提出

1．2特异介质的研究进展

1．3特异介质的应用

1．4本文的目的和结构安排

第二章特异介质的制备及性能表征

2．1特异介质的制备方法

2．2特异介质的性能表征

2．2．1特异介质的实验测试

2．2．2特异介质的数值分析

2．2．3等效电磁参数的获取

2．3小结

第三章可调谐磁性特异介质

3．1椭圆板对结构磁响应的理论分析

3．1．1椭圆板对结构的数值分析

3．1．2椭圆板对结构的有效LC共振模型

3．2椭圆板对结构的制备与性能测试

3．2．1设计与制备

3．2．2测试分析

3．2．3椭圆板对结构的偏振特性

3．3小结

第四章多频带磁性特异介质

4．1多层椭圆板对的制备与测试

4．1．1设计与制备

4．1．2测试分析

4．2多频带磁响应的性能分析

4．2．1多频带磁响应的场分布特性

4．2．2等效磁导率的获取

4．2．3不同斜坡角多层椭圆板对的磁响应特性

4．3小结

第五章X孔型低损耗负折射率特异介质

5．1设计与制备

5．2测试分析

5．3等效电磁参数的获取

5．4小结

第六章总结与展望

参考文献

博士期问已发表和待发表论文

致谢