超材料电磁共振及调控机理研究

摘要

电磁现象源于电磁波与物质之间的相互作用。利用自然界物质，我们可以操纵电磁波的各种特性，例如方向、强度和偏振等。然而，由自然界物质构建的一些传统光学元器件的性能和功能并不总能够满足我们的需求，甚至是无法实现的。最重要的原因不是由于当前计算机水平或工艺技术达不到要求造成的，而是自然界物质电磁性质可选择的范围非常有限的原因所致。近年来，超材料作为一种新型的、电磁特性可任意设计的人工光学材料，它不仅能够显著提升传统光学元器件性能的同时，而且会大大拓展元器件功能的可设计空间。本论文研究了超材料的电磁共振机理，并对其调控机理进行了深入地探讨。主要研究内容和成果包括以下几方面：
　　（1）通过Lorentz模型和Drude理论模型分析了自然界物质（介质、金属和掺杂半导体）电磁响应的机理及其介电特性；接着，在此基础上引入了人工材料（超材料）的概念，并讨论了提取人工材料电磁特性参数的基本方法。
　　（2）利用超材料弹簧振子模型研究了超材料的电磁特性，包括电磁共振波长和电磁共振响应强度特性。结果表明：超材料共振波长与自由电子在超材料单元结构中的有效行程有关，而电磁共振强度与单元结构中自由电子浓度以及由电磁波引起的电势差有关。通过仿真和实验研究总结了常见结构类型二维超材料的电磁共振特性，验证了超材料弹簧振子模型的正确性，并提出了一种二维半导体超材料。研究了开口谐振环这类典型结构超材料的电共振响应特性和磁共振响应特性，及其光学各向异性的性质。
　　（3）对常用于研究三维超材料介电特性的理论和方法进行了总结和推导。研究并探讨了三维颗粒型超材料和三维层状型超材料的介电特性。在此基础上，提出了一种微米尺寸的偏振无关全半导体光路板光滤波片，还设计出了一种厚度仅为0.58μm的双超材料四分之一波片。
　　（4）从调控机理的角度对现有报道的可调控型二维超材料进行了重新梳理和分类，并提出了一些性能优化方案以及一种新型的可调控型二维半导体超材料。除此以外，针对目前三维超材料电磁性能调控研究的空白，我们设计出了一种电可调控型三维层状型半导体超材料，并研究了其调控性能。结果表明：相比现有的电可调控型二维超材料，电可调控型三维层状型半导体超材料的性能更加优越。
　　这些研究成果在为今后更深入研究超材料电磁共振机理提供基础的同时，也为二维超材料和三维超材料元器件的设计、制备、新功能开发以及性能优化提供了指导。

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缩写词

1 绪论

1.1超材料发展历程

1.2超材料研究概况

1.3本论文主要内容及创新

2 物质电磁特性与相关研究方法

2.1引言

2.2自然物质电磁特性

2.3人工材料电磁特性

2.4电磁参数提取方法

2.5本章小结

3 二维超材料电磁共振特性研究

3.1引言

3.2二维超材料电磁共振原理与分析方法

3.3二维超材料电共振特性理论研究

3.4二维超材料电共振特性实验研究

3.5二维超材料电磁各向异性研究

3.6本章小结

4 三维超材料电磁共振特性研究

4.1 引言

4.2三维颗粒型超材料电磁共振特性研究

4.3三维层状型超材料电磁共振特性研究

4.4三维层状型超材料电磁共振特性应用

4.5本章小结

5 超材料电磁性能调控机理研究

5.1引言

5.2二维超材料电磁性能调控机理研究

5.3三维超材料电磁性能调控机理研究

5.4本章小结

6 结论与展望

6.1工作总结

6.2工作展望

致谢

参考文献

附录 攻读博士学位期间（待）发表的学术文章