基于反射型超表面的电磁调控器原理及制备技术研究

摘要

电磁波调控技术在现代社会中发挥着重要的作用，人们通过设计材料或器件对电磁波的产生、传播以及接收进行调制。随着微纳加工技术与材料科学的不断发展与完善，逐渐兴起了基于人工亚波长结构（也被称为超材料）的电磁波调控研究新领域。超材料具有优异的电磁调控特性，能够在亚波长尺度下对电磁波的振幅、相位和偏振态进行有效地操纵，极大地拓展了电磁波与物质之间的相互作用形式。近年来，超表面——一种特殊的二维超材料——具有轻薄、易加工的特性，成为了超材料和电磁调控领域新的发展方向和研究热点之一，在传感、成像、隐身及光信息传输与存储等领域具有广泛的应用前景。　　论文在国家 973 计划和国家自然科学基金等项目的资助下，对超表面电磁调控原理及微纳工艺制备技术开展了较为深入的研究。针对目前超表面电磁调控器在各工作频段中存在的调控效率低、带宽调制受限、功能固定以及工艺制备难度大等问题，提出了基于反射型超表面的电磁调控器结构，并通过引入特殊谐振模式、设计方法、相变材料和微纳加工技术，较为深入地研究了电磁波的高效调控，带宽灵活调制、可调波前调控以及相应的加工技术等。论文的主要研究工作和取得的创新性成果包括：　　(1) 分析了 Fano 共振及窄带吸收原理，提出了一种通过在超表面结构中引入不对称性产生Fano共振降低金属辐射损耗，实现超窄带吸收的方法。基于此原理，设计了一种近红外超窄带完美吸收器，进行了仿真验证，并探讨了窄带吸收器的传感特性。　　(2) 基于悬链线场理论和传输线理论，建立了超表面电磁器件的数理模型，提出了一种数值计算方法简化超表面器件的设计。结合色散调控理论开展了宽带调制的研究，设计了基于多层超表面结构的吸收器，实现太赫兹超宽带高效吸收，并对其进行了实验验证。　　(3) 结合阴影沉积法和SP光刻技术提出了一种微纳工艺制备方法，开展了具有纳米尺度特征尺寸的超表面电磁调控器的大面积、低成本工艺制备研究。作为验证，设计了基于100nm线宽二维金属狭缝的柔性跨波段调控材料，利用提出的制备技术实现了大面积工艺制备，并对制备的柔性材料进行实验测试，验证了跨波段电磁调控特性。　　(4) 结合相变材料与波前调控超表面提出了一种可调光学器件的设计方法。基于此方法，在近红外波段和中红外波段仿真设计了相变材料不同状态下具有电磁响应差异的超表面单元以及功能可调的光学器件，并在中红外波段对其进行了制备与表征，验证设计的器件具备可调的特性。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景和意义

1.2 超表面电磁调控器件概述

1.2.1 超表面结构的电磁调控特性

1.2.2 超表面电磁调控器件的分类

1.3 国内外研究现状

1.3.1 频谱调控型超表面电磁调控器件

1.3.2 波前调控型超表面电磁调控器件

1.4 存在的问题及主要研究内容

1.5 论文组织架构

1.6 本章小结

2 超表面电磁调控器件的理论基础

2.1 引言

2.2.1 金属材料色散模型

2.2.2 表面等离子体共振

2.2.3 局域相位调控

2.3.1 等效阻抗法

2.3.2 传输线理论

2.3.3 数值计算方法

2.4 超表面器件的实验制备及表征方法

2.5 本章小结

3 基于Fano共振的窄带吸收

3.1 引言

3.2.1 超表面吸收器机理

3.2.2 Fano共振

3.3.1 结构设计与分析

3.3.2 结构参数对吸收特性的影响

3.4 窄带吸收器的传感特性研究

3.5本章小结

4 基于悬链线场理论的超表面设计方法及宽带调制

4.1引言

4.2.1 超表面波

4.2.2 悬链线电场分布

4.2.3 色散调控及带宽拓展

4.3 太赫兹宽带吸收器设计

4.3.1 宽带吸收器结构设计

4.3.2 宽带吸收器理论分析

4.3.3 宽带吸收器性能分析

4.4.1 工艺制备

4.4.2 性能表征

4.5 本章小结

5 大面积纳米超表面器件工艺制备

5.1 引言

5.2.1 阴影沉积

5.2.2 近场光学曝光技术

5.3 跨波段调控材料的工艺制备及电磁特性

5.3.1 跨波段调控材料的工艺制备

5.3.2 跨波段调控材料的电磁特性

5.4 跨波段调控材料的性能表征

5.5 本章小结

6 基于相变材料的可调光学器件

6.1 引言

6.2.1 几何相位

6.2.2 相变材料GST

6.3 可调光学器件设计

6.3.1 可调超表面单元结构设计

6.3.2 近红外可调光学器件设计

6.3.3 中红外可调光学器件设计

6.4.1 工艺制备

6.4.2 实验表征

6.4.3 GST相变

6.5 本章小结

7 总结与展望

7.1 主要工作总结

7.2 研究工作展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果

C. 作者在攻读博士学位期间参加的科研项目

D. 学位论文数据集

致谢