手性和各向异性的超材料的偏振特性及应用研究

摘要

近些年来，超材料在电磁调控方面的迅猛发展已经表现出巨大的应用潜力。之前，电磁（偏振，相位等）调控主要是通过自然界现有存在的材料实现的，然而其控制效果不好，如效率低、体积大等，这严重限制了该领域发展。而超材料，通过调节单元的结构和尺寸，它可以实现比自然界更优越的或者自然媒质不具备的电磁特性，有效的克服了传统材料带来的弊端。本文根据超材料分析的相关理论并借助数值仿真方法研究超材料（手性超材料和各向异性超材料）对电磁波的偏振调控。具体内容如下:
　　(1)设计了一种基于手性超材料的太赫兹偏振转换器件。通过等离子金属光栅和金属开口环的不对称组合实现偏振的转换。研究发现它能实现宽带的(0.28～1.82THz)高效的(偏振转换率(PCR)远高于0.9）偏振转换。此外，它在0.64THz和1.45THz附近出射为交叉偏振光。这些结果表明设计的结构能实现宽带的高效的偏振转换和90°线偏振转换器。
　　(2)设计了一种基于手性超材料的红外波段偏振转换器件。为了解决金属在红外波段损耗大问题，设计了S结构和双棒组成的法布里波罗共振腔来增强透射效率（最大值可达0.91）。同时通过结构参数的调控，所设计的结构还表现出三带宽的频谱有效变化。根据以上结果表明所设计的结构能实现带宽可调的线偏振转换器。
　　(3)设计了一种基于各向异性超材料（超表面）的偏振分束功能器件。由于二维超材料即超表面结构简单，加工方便，所以本章首先设计以十字架为单元的分束器件。研究表明它能工作在15GHz，且对X分量和Y分量偏转角度与理论基本保持致。此外，在这基础上设计了具有聚焦功能的分束器件。结果表明对X和Y分量都能聚焦在Z=40mm处，且偏转角度与理论保持一致。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 本章引言

1．2 手性超材料的研究进展与应用

1．3 各向异性超材料(超表面)的研究进展与应用

1．4 本文的主要内容及章节安排

1．5 本章小结

第二章 超材料的理论分析和数值模拟方法

2．1 本章引言

2．2 手性超材料的理论分析

2．2．1 手性超材料的电磁学理论

2．2．2 手性超材料的电磁参数表征

2．3．1 惠更斯原理与广义斯涅耳定理

2．3．2 各向异性材料理论

2．4 数值模拟方法

2．5 本章小结

第三章 基于手性超材料的太赫兹偏振转换器的设计

3．1 本章引言

3．2 偏振转化器的原理

3．3 结构设计

3．4 结果与分析

3．4．1 结构的电磁特性

3．4．2 偏振转换内部机制分析

3．5 本章小结

第四章 基于手性超材料的红外波段偏振转换器的设计

4．1 本章引言

4．2 结构设计和模型分析

4．2．1 结构设计

4．2．2 模型分析

4．3 结果与分析

4．3．1 结构的电磁特性

4．3．2 结构的性能分析

4．4 本章小结

第五章 基于各向异性超表面的偏振分束器件

5．1 本章引言

5．2 偏振分束器件的原理

5．3 结构设计与结果讨论

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况