基于二维手性超结构的圆偏振光特性与操控研究

摘要

本论文基于有限元数值仿真方法，研究了二维手性超结构的圆偏振光特性与操控，获得圆偏振光电磁感应透明结构的相关电磁特性，并实验验证了圆偏振光高斯脉冲的群延迟现象物理基础。
　　首先，根据电磁感应透明超结构的设计原理，利用两个独立的二维谐振结构的电磁耦合实现了圆偏振光电磁感应透明。有限元分析法的计算结果表明，在共振频率f=15.3GHz附近，由于明暗模式的耦合出现了类似金属原子气系统中的电磁感应透明现象，且只有右圆偏振光的高斯脉冲发生了电磁感应透明现象，并产生了1.6ns的群时延。利用PCB加工技术，完成了在该结构的制备。利用微波网络分析仪，实验验证了圆偏振光电磁感应透明的存在。此外还研究两个谐振结构之间相对位置结构参数对电磁感应透明强弱的影响规律。最后缩小该结构，研究了其在太赫兹波段的性能。
　　其次，利用有限元分析法，设计并分析了金属硅化物代替贵金属来构建手性超结构的可行性。计算结果表明，本文设计的超材料在采用金属硅化物情况下，在红外波段具有圆二色性。当采用NiSi时，该结构在2.05μm附近，圆二色性到达峰值0.44，对应的偏振旋转角和透光消光比分别为74.7°和190。最后在不改变结构参数的情况下，研究通过改变硅化物的类别对圆二色性，偏振旋转角以及透光消光比的影响规律。
　　最后，鉴于二维结构成功实现圆偏振光电磁感应透明，利用两个独立的三维谐振结构的电磁耦合实现了三维圆偏振光电磁感应透明。有限元分析法的计算结果表明，在共振频率f=6.35GHz附近，只有左圆偏振光的高斯脉冲发生了电磁感应透明现象，并产生了17.3ns的透射群时延。最后，在不改变其他结构参数的情况下，研究两个谐振结构之间的相对位置对电磁感应透明强弱的影响规律。
　　总而言之，本文首先利用二维平面超结构实现了圆偏振光电磁感应透明。且数值仿真和实验结果都证实了该现象的存在。并进一步讨论了两个结构参数对整个器件性能的影响。其次，考虑到现有超结构都普遍采用金属构建的问题，本文提出了采用硅化物的二维手性超结构，并在红外波段展示了良好的光学性能。最后，鉴于二维超结构的成功，本文提出三维超结构来实现圆偏振光电磁感应透明。在数值仿真层面证明了三维超结构性能的优越性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 手性超结构的研究状况

1．2．1 手性超材料的发展历史

1．2．2 二维手性超材料概述

1．2．3 手性超材料等效参数提取方法的发展

1．2．4 波在平面二维手性超材料中的非对称传输

1．3 超材料中的电磁感应透明现象

第二章 电磁场的数值理论与计算

2．1 引言

2．2 电磁场的数值理论

2．2．1 有限元分析法

2．2．2 时域有限差分法

2．3 仿真计算软件

2．3．1 多物理场耦合有限元软件(COMSOL)

2．3．2 时域有限差分软件(openEMS)

2．4 本章小结

第三章 圆偏振光电磁感应透明二维手性超结构的设计与研究

3．1 引言

3．2 微波波段二维圆偏振光电磁感应透明超结构的研究

3．2．1 微波波段二维圆偏振光电磁感应透明超结构的设计

3．2．2 微波段圆偏振光电磁感应透明二维超结构的实验研究

3．2．3 结果与讨论

3．3 太赫兹波段圆偏振光电磁感应透明二维超结构的设计

3．3．1 数值仿真

3．3．2 结果与讨论

3．4 本章小结

第四章 硅化物二维手性超结构的设计与研究

4．1 引言

4．2 设计的平面二维手性结构以及仿真结果

4．2．1 平面二维手性超结构有效参数的提取

4．2．2 平面二维手性超结构的设计与仿真结果

4．2．3 结果与讨论

4．3 本章小结

第五章 圆偏振光电磁感应透明三维手性超结构的设计与研究

5．1 引言

5．2 圆偏振光电磁感应透明三维超结构的设计以及仿真结果

5．2．1 圆偏振光电磁感应透明三维超结构的设计

5．2．2 圆偏振光电磁感应透明三维超结构的仿真结果及分析

5．2．3 结果与讨论

5．3 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果