异向介质在极化二色性和电子诱导辐射等方面的应用研究

摘要

过去十几年里，异向介质（Metamaterials）成为了电磁学、光学、凝聚态物理和材料科学领域的一个重要研究方向。异向介质是由亚波长金属或介质单元结构排列而成的周期性结构，它通过设计人工结构的电磁响应来获得与众不同的特殊电磁特性，包括负折射特性、完美成像特性等。在异向介质诸多特性中，极化控制能力是其极为突出的一个性能。其极化选择特性依赖于单元结构对称性的设计，通过改变结构的对称性群，可以实现诸如各向异性、手征特性和双各向异性等自然界材料难以实现的特殊功能。针对微型化极化控制器件和电磁波近场信息控制方面的难题，开展了异向介质在极化二色性和电子诱导辐射等方面的系统性研究，取得了极化二色性反射镜、电子诱导辐射极化控制器等一系列成果，具有指导新型光学极化控制器件设计的重要意义。
　　本研究主要内容包括：⑴异向介质电磁响应的表征和设计方法研究。我们总结和归纳了异向介质电磁响应的表征方法，包括等效参数提取法、传输线等效电路模型法、转移矩阵法和对称性分析法，并对各个方法的优缺点和适用情况进行讨论。这章内容为后续章节奠定理论基础。⑵异向介质在极化二色性方面的应用研究。这部分包含两部分内容：一是分析异向介质的结构对称性，提出了圆极化二色性反射镜的设计方法，设计了两款异向介质反射镜，能够实现圆偏振光的选择性吸收。二是讨论石墨烯新型二维材料的电磁特性，研究基于石墨烯的极化二色性异向介质，设计了基于石墨烯的异向介质吸波材料，其工作频率可以通过改变石墨烯费米能级得以调制。⑶异向介质在电子诱导辐射方面的应用研究。这部分包含两部分内容：一是讨论双各向异性介质的电磁响应和表征方法，包括微观物理机制的分析和等效参数提取法的构建。二是分析双各向异性对电磁波尤其是倏逝波的传播控制，提出了用双各向异性超表面来控制电子诱导辐射极化特性的方法。⑷异向介质在宽频带吸波方面的应用研究。我们利用传输线等效电路模型法，构建多层异向介质电路模型，结合特定的遗传优化算法，设计并加工了一款宽频带异向介质吸波材料，其吸波性能覆盖C、X、Ku和K等波段。

目录

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致谢

第1章绪论

1.1 本文的研究背景

1.2 本文的研究目的、意义及主要内容

第2章异向介质电磁响应的表征和设计方法

2.1 等效参数提取法

2.2 传输线等效电路模型法

2.3 转移矩阵法

2.4 对称性分析法

2.5 本章小结

第3章异向介质在极化二色性方面的应用研究

3.1 圆极化二色性的异向介质反射镜

3.2 频率可调的线极化二色性异向介质

3.3 本章小结

第4章异向介质在电子诱导辐射方面的应用研究

4.1 双各向异性介质的电磁响应和表征

4.2 双各向异向介质对电子诱导辐射的调控机制

4.3 双各向异性介质对电子诱导辐射的调控性能分析

4.4 本章小结

第5章异向介质在宽频带吸波方面的应用研究

5.1 宽频带吸波材料的电路模型和参数优化

5.2 等效电路元件的实现方法

5.3 结构仿真和实验验证

5.4 本章小结

第6章总结与展望

参考文献

作者简历