激光核聚变光学元件超精密加工技术的研究

论述了脆性材料延性加工机理。应用超精密加工技术解决了激光核聚变光学元件的大批量加工问题。研究了平面光学元件、KDP晶体和方形透镜超精密加工技术,给出了这三类光学元件超精密加工的工艺过程、机床设计准则和最佳工艺参数。     

基于集总元件的低频宽带超材料吸波体设计与实验研究

提出一种基于集总元件的超材料吸波体结构设计, 并进行了理论分析和实验验证. 仿真结果表明, 该吸波体在2.5 GHz到4.46 GHz的低频带内具有吸收率超过95%、半高宽达到70.4%的良好吸收特性. 反演计算得到的等效输入阻抗表明集总元件的加入可以使该结构在较宽的频率范围内有较好的阻抗匹配特性, 介质表面能量损耗分布的模拟计算结果说明能量主要损耗在了集总电阻中, 从而实现低频宽带的吸收特性. 制备了实验样品并用自由空间法进行测试, 测试结果与模拟结果符合得较好. 进一步的实验测试结果表明FR4基板的厚度对该吸波体的吸收特性有明显的调控作用, 且对于固定参数的结构存在最佳匹配厚度. 关键词： 集总元件 超材料吸波体 低频 宽带     

一种基于旋转调谐的超材料

数值仿真研究了一种可调谐的双开口谐振环(DSRR)超材料.在平行入射的电磁波激励下,这种DSRR单元可以在不同的频段分别表现出磁谐振和电谐振.当外加电场E与DSRR的双开口平行时,DSRR受激励得到的磁谐振和电谐振强度最大.随着DSRR超材料沿外加磁场H方向顺时针旋转,其磁谐振和电谐振频率基本保持不变,但谐振强度均发生显著下降,同时对应透射相位的突变也逐渐降低.提出的超材料调谐方法只需要简单地旋转材料,而不需要改变原有超材料单元的结构或者增加额外的激励场,极大地简化了可调谐超材料的制备及应用,在电磁开关、相位调制等方面具有潜在的应用.同时,这种简单的方法有希望应用于更高频段的超材料调谐,可以有效地拓展太赫兹频段和光频段超材料的实际应用.     

基于平面超材料的Fano谐振可调谐研究

基于两段相同金属分裂环谐振器构成的单层结构, 从理论及实验方面研究了平面超材料的可调谐Fano谐振. 实验测量了平面超材料对TE和TM入射波的电磁响应, 利用电磁波的入射角度控制Fano谐振的强度, 实现了谐振的开关特性, 谐振频率红移可达到21%. 基于有限元法给出了平面超材料的场分布, 强的正常色散表明平面超材料的电磁响应可类比经典电磁诱导透明现象, 仿真与实验结果相符合. 对称结构超材料Fano谐振的开/关特性为超材料性能的可调谐控制提供了有效途径.     

可调谐电磁超表面研究进展

超表面是由亚波长尺度的人工原子组成的二维平面超材料，具有操纵电磁波属性的能力。超表面领域的快速发展催生了多种技术/功能器件，包括超表面全息术、矢量涡旋光技术、超透镜、偏振转换器等。主动性超表面是指可以通过电、磁、光照、热、应力等外部刺激对超表面的结构、性质和功能进行灵活调控的超表面。近年来，人们一直致力于研究基于多种调控技术的多功能可调谐超表面，从而实现动态调控电磁波的目的。本文归纳总结了基于多种调控方法的可调谐超表面的研究进展，主要包括基于液晶的可调谐超表面、基于相变材料的可调谐超表面和结构可重构型可调谐超表面，并讨论了不同类型可调谐超表面的优势、面临的挑战以及未来的发展方向。     

基于负微分电阻碳纳米管的太赫兹波有源超材料特性参数提取

利用碳纳米管在外加静电场下可产生常温太赫兹频段负微分电阻的特性, 提出了太赫兹波频段的有源超材料设计方法以及块状有源超材料等效电磁特性参数提取方法. 对无源金属线阵进行参数提取, 证明所提出的块状有源超材料等效电磁特性参数提取方法, 可以有效解决传 统参数提取中的符号与多分支选择问题. 通过对嵌入具有负微分电阻特性的碳纳米管的金属线阵进行参数提取, 发现太赫兹波有源超材料不仅具有等效介电常数虚部为负(代表电有源)的特性, 而且还具有磁性色散的特性.     

基于超表面材料的扇出衍射光学元件

提出一种基于电介质纳米砖阵列的扇出衍射光学元件的设计和实现方案,其纳米砖的深宽比低至1.5。这种扇出衍射光学元件被一束波长为633 nm的入射光束照射时,可以在远场中得到均匀的4×4点阵,发散角为32°×32°,且数值模拟与实验结果吻合良好。基于超表面材料的扇出衍射光学元件具有连续、精确的相位操纵能力和较高的偏振转换效率,并且仅需一步光刻制造工艺,可以广泛应用于工程光学的各种领域,例如光学传感,激光雷达,激光加工等。     

磁电超材料折射率特性分析

基于麦克斯韦旋度方程, 将磁电超材料板中的电元件和磁元件分别等效为面电流和面磁流, 通过计算这些周期性面电流和面磁流在某个磁电超材料板上产生的总电场和总磁场, 获得了关于面磁流密度和面电流密度的两个方程, 进而推导出了周期性磁电超材料折射率与磁元件的磁导率、 电元件的介电常数和空间色散项之间关系的解析公式. 与传统的折射率计算公式不同, 该解析公式充分考虑到了空间色散以及磁电超材料的电元件和磁元件的相互作用. 折射率理论曲线和基于仿真实验数据的提取值曲线能很好地符合, 这说明文中推导的折射率公式能够正确地描述磁电超材料的负折射特性. 本文的结果将为分析电磁元件之间的相互作用以及设计负折射率符合一定要求的磁电超材料提供重要的理论参考. 关键词： 磁电超材料 周期性结构 负折射率     

人工表面等离激元超材料

以微带为代表的传统微波传输线无法精细操控电磁模式,因此传统电子信息系统在空间耦合、动态响应和性能鲁棒性等方面存在瓶颈。人工表面等离激元(SSPP)超材料可打破上述瓶颈,是光学与信息领域的研究热点之一。人工表面等离激元超材料是一类模拟光频段表面等离激元特性的新型超材料,可在微波和太赫兹频段精细操控表面波,具有与平面电路相似的构型特性,可用于制备下一代集成电路的基础传输线。人工表面等离激元分为传输型和局域型两类。传输型人工表面等离激元超材料始于三维立体结构,后发展成超薄梳状金属条带构型。学者们构建了以其为基础的微波电路新体系,研制了人工表面等离激元滤波器、天线、放大器和倍频器等典型的无源和有源器件,并将其集成为可实现亚波长间距多通道信号非视距传输的无线通信系统。人工局域表面等离激元(SLSP)超材料也经历了从三维立体构型到超薄构型的发展历程,并通过螺旋构型、链式构型、高阶模式和杂化模式等为电磁波的亚波长尺度调控提供了更多自由度。系统讨论了人工表面等离激元超材料在微波电路中的相关理论和应用,包括人工表面等离激元超材料的基本概念、构型发展、无源/有源器件以及无线通信系统。     

基于磁谐振器加载的宽频带超材料吸波体的设计

基于加载集总元件的磁谐振器设计了一种宽频带、极化不敏感和宽入射角的超材料吸波体.该吸波体的结构单元由加载集总元件的磁谐振器、介质基板和金属背板组成.仿真得到的加载集总元件和不加载集总元件情况下一维阵列结构吸波体的吸收率表明,相对于不加载集总元件的情况,加载集总元件的一维阵列结构吸波体能够实现宽频带吸波.仿真得到的集总电阻和集总电容取不同值时一维阵列结构吸波体的吸收率表明,集总电阻和集总电容都存在一个最佳值,此时吸波体的吸收率最高、吸收带宽最宽.仿真得到的基板有耗和无耗情况下一维阵列结构吸波体的吸收率表明, 关键词： 磁谐振器 集总元件 宽频带 超材料吸波体     

Temperature-controlled tunable acoustic metamaterial with active band gap and negative bulk modulus

The local resonant band gap and the negative bulk modulus of the acoustic metamaterial with Helmholtz resonators are strongly affected by the temperature of water. In this paper, the acoustic transmission line method (ATLM) is introduced to investigate the influences of the temperature of water on the local resonant band gap and the negative bulk modulus of the acoustic metamaterial. Results show that the relative variations of the local resonant band gap and the negative effective bulk modulus suffering from the change of the temperature of water are approximately equivalent and are up to about 11%. The reason is that the local resonant frequency is proportional to the sound speed of fluid which is strongly effects by the temperature of water. By achieving the unambiguous relationships between these unusual properties of the acoustic metamaterial and the temperature of water, we find that the temperature-controlled acoustic metamaterial with the active band gap and the active negative bulk modulus can be realized in theory. This idea opens a new avenue for the design of the tunable acoustic metamaterial that can modulate the acoustic wave propagation.     

基于石墨烯振幅可调的宽带类电磁诱导透明超材料设计

基于石墨烯的电控特性提出了一种由金属线谐振器和"H"型谐振器组成的宽带可调的类电磁诱导透明(类EIT)超材料结构.首先,利用CST Microwave Studio软件对该超材料结构的透射特性进行了仿真.该结构在1.05—1.46 THz内的透射窗由金属线谐振器的等离子谐振和"H"型谐振器的电感-电容谐振干涉相消引起,且暗模式谐振器的数量增多导致了透射窗带宽的增加.其次,仿真模拟了该结构在不同石墨烯费米能级下的透射特性.当石墨烯费米能级由0 eV逐渐增加到1.5 eV时,该结构透射窗在1.05—1.46 THz内的平均透射振幅由87%逐渐减少到25%,实现了宽带可调.同时,通过仿真模拟该结构在1.26 THz下的电场分布对其透射机理进行了分析,并实验制备了类EIT超材料结构样品,且利用太赫兹时域光谱对样品进行了透射性能测试,测试结果与仿真分析的趋势基本一致.     

Tunable broadband metamaterial absorber consisting of ferrite slabs and a copper wire

A tunable broadband metamaterial absorber is demonstrated at microwave frequencies in this paper.The metamaterial absorber is composed of ferrite slabs with large resonance beamwidths and a copper wire.The theoretical analysis for the effective media parameters is presented to show the mechanism for achieving the perfect absorptivity characteristic.The numerical results of transmission,reflectance,and absorptivity indicate that the metamaterial absorber exhibits a near perfect impedance-match to free space and a high absorptivity of 98.2% for one layer and 99.97% for two layers at 9.9 GHz.The bandwidth with the absorptivity above 90% is about 2.3 GHz.Moreover,the absorption band can be shifted linearly in a wide frequency range by adjusting the magnetic bias.This metamaterial absorber opens a way to prepare perfectly matched layers for engineering applications.     

基于电磁谐振的极化无关透射吸收超材料吸波体

仿真并实验验证了基于电磁谐振的极化无关透射吸收超材料吸波体, 该吸波体可以实现低频透射和高频吸收.实验测试结果表明, 该吸波体在6.77 GHz 吸收率峰值为83.6%, 半功率带宽为4.3%, 实现窄带强吸收.为进一步拓展该谐振型超材料吸波体的吸收带宽, 利用其低频透射特性, 将两个工作于不同频段的吸波体叠加在一起, 测试结果表明, 复合后超材料吸波体的半功率带宽可以增大到10.9%, 吸收率也略有增强. 该超材料吸波体设计简单, 具有较强的实用性和应用前景. 关键词： 极化无关 透射吸收 超材料吸波体     

An incident-direction-selective transmission filter based on anisotropic metamaterial

We construct an incident-direction-selective transmission filter based on anisotropic metamaterial, and explore the possibility of complete tunneling when elements of permittivity and permeability tensors of the anisotropic metamaterial are totally or partially negative. We first deduce the expressions of field distribution, reflection and transmission amplitudes in our filter and then study the influence of anisotropic metamaterial on the tunneling incident angle of light, including seven subcases of different combinations of positive and negative permittivity and permeability components. At last we conclude the principle of appearance of complete tunneling.     

Magnetic interaction in the metamaterial/magnet system

The stability of the magnetic dipole and the metamaterial with negative permeability are investigated. Analytical expressions of the interaction force and stiffness of the magnetic line and metamaterial with negative permeability are derived. The repulsive force between the magnetic line and the metamaterial exceeds the value of the maximum force in the magnet-superconductor system.     

1.7—2.7GHz宽频带小单元异向介质设计及其介质参数提取

提出一种单元电尺寸小、工作频带宽、损耗小、结构简单的异向介质设计方案，在1.7—2.7 GHz上所设计的异向介质结构单元电尺寸小于0.035，相对带宽达到45.5%，在整个工作频带上单个结构单元传输损耗小于0.75 dB.对由上述异向介质单元构成的半无限大异向介质平板的电磁波反射、透射特性进行了数值仿真分析，并提取出了电磁波在该异向介质平板中传播时的波数、相速、折射率以及该异向介质平板的有效介电常数和有效磁导率等一系列电磁特性参数，仿真与计算结果表明复波数的实部、相速以及折射率的实部在1.7—2.7 GHz的范围上为负值，并且在相同频带上，有效介电常数和有效磁导率的实部同时为负值，从而有效地验证了“后向行波效应”、“负折射效应”、“双负效应”等异向介质特有的电磁特性，对上述异向介质的存在性给予有力证明. 关键词： 异向介质 宽频带 小单元 介质参数     

C波段平面异向介质设计及其后向波特性验证

提出了一种工作在C波段的新型平面结构异向介质，它除了带宽宽和损耗小外，还具有体积小、结构简单的优点，而且能够实现工作频段的平移，频率平移范围为4—20 GHz.基于电磁波由自由空间入射半无限大异向介质平板的传输和反射数据，计算出了电波在其中传播时的相速随频率的变化曲线，结果表明所讨论的异向介质确实在预想的频段上表现出后向波特性；同时利用相位观察法进一步验证了上述的后向波特性，从而肯定了异向介质的存在. 关键词： 异向介质 宽频带 小单元 后向波特性     

Active microwave negative-index metamaterial transmission line with gain

We studied the active metamaterial transmission line at microwave frequency. The active composite right-handed or left-handed transmission line was designed to incorporate a germanium tunnel diode with a negative differential resistance property as the gain device at the unit cell level. Measurements of the fabricated planar transmission line structures with one-, two-, and three-unit cells showed that the addition of the dc pumped tunnel diodes not only provided gain but also maintained the left handedness of the transmission line metamaterial. Simulation results agree well with experimental observation. This work demonstrated that negative index material can be obtained with a net gain when an external source is incorporated.