光频段双层手征结构光学特性及负折射率研究

设计了一种工作在光波段的新型四重对称的双层手征结构,通过数值模拟得到透射系数和反射系数,反演计算了结构的圆二色性、旋光角、手征参数和折射率。结果表明该结构在谐振波长附近具有很强的旋光性,并且在椭偏度为零时,即透射光变成完全线偏振光时,旋光角达到了55°;在一定波段内可以实现左旋圆偏振光(LCP)和右旋圆偏振光(RCP)的负折射率,且不需要介电常数和磁导率同时为负,更重要的是,实现负折射率的左旋圆偏振光(LCP)具有较宽的频带,不局限于谐振波长附近,在椭偏度为零时,折射率也为负。考虑到具体的实验制作,对加衬底的手征结构进行了数值模拟,结果表明谐振波长向长波长方向产生了偏移,完全线性偏振光的旋光角仍然有40°。     

圆偏振光在手征负折射材料表面的反射和极化特性研究

从理论上分析了圆偏振光入射到手征负折射材料表面的反射与透射特性,给出了归一化反射透射功率与入射角的关系曲线以及布儒斯特角与手征参数之间的关系曲线.当入射角大于两个本征波的临界角时,全内反射现象发生.由于手征负折射介质中的一个本征波发生了负折射,右旋或左旋圆偏振光入射时反射波的极化态有着与常规介质完全不同的特性,以布儒斯特角入射时反射光都为线偏振波但极化方向并不相同.     

线偏振光在手征负折射材料表面的传输特性研究

从理论上研究了手征负折射材料表面的反射与透射特性,给出了归一化的反射透射功率与入射角之间的关系曲线.当入射波分别为垂直和平行极化波(TE和TM波)时,得到了发生负折射时的布儒斯特角和全内反射角随手征参数和材料折射率的变化关系.手征负折射介质中的一个本征波发生了负折射,其功率流方向与波矢方向相反.     

双层金属线平面手征结构的强旋光性和负折射率研究

提出一种由四重对称的金属线构成的双层平面手征结构,并对两层金属线之间旋转角θ和介质层厚度h进行了优化. 数值模拟结果显示,在一定的θ和h下,该结构在近红外波段具有极强的旋光性和大的手征参数,且在一定的波段范围内具有负折射率. 关键词： 手征介质 旋光性 手征参数 负折射率     

基于折线形手征负折射介质结构的设计与仿真

分别设计和仿真了一种新型的工作在微波段和光波段的折线形手征介质结构.利用仿真得到的透射系数和反射系数反演计算了该结构的旋光角、椭偏度、相对介电常数、相对磁导率、手征参数以及折射率等参数.结果表明该结构在这两种波段下都显示出极大的旋光角和椭偏度,且因具有大的手征参数,而不再需要介电常数和磁导率同时为负就可实现左旋圆极化波(LCP)和右旋圆极化波(RCP)的负折射率. 关键词： 手征介质 旋光角 椭偏度 负折射率     

光轴平行于界面的单轴手征介质中的负折射研究

研究了光轴平行于界面时单轴各向异性手征介质中实现负折射的条件, 并详细分析了该介质中两个本征波在不同电磁参数和手征参数下折射角随入射角的变化规律. 结果表明, 利用单轴各向异性手征介质实现负折射, 条件更加宽松, 甚至在弱的手征参数下也可能实现负折射, 且在不同的介电常数、手征参数和入射角下, 该手征介质中两个本征波的相折射角存在很大的差异, 在特殊条件下, 某一个或两个本征波不能在介质内传播.     

线偏振光在手征负折射介质中的古斯汉欣位移特性研究

从理论上分析了手征负折射介质中的横向位移特性,给出了线极化波入射条件下发生全反射时的横向位移随入射角的关系曲线。当入射角处于两个本征波的临界角之间时,TE和TM分量对应的横向位移方向相反。而当入射角大于全内反射角时,两个分量都将朝着正方向发生横向位移。通过比较发现手征负折射介质中的古斯汉欣位移特性与常规介质和一般手征介质也有着很大的不同之处。     

基于双开口谐振环超表面的宽带太赫兹涡旋光束产生

提出了一种基于双开口谐振环单元结构超表面的太赫兹宽带涡旋光束产生器.该结构由金属-电介质两层构成,位于顶层的是基于双开口谐振环单元结构的超表面,底层为介质层.对单元结构阵列进行数值仿真,圆偏振的入射光可以被转换成相应的交叉偏振透射光,通过旋转表层金属谐振环,可以控制交叉偏振透射光具有相同的振幅和不同的相位.这些单元结构按照特定的规律排列,可以形成用以产生不同拓扑荷数的涡旋光束的涡旋相位板.以拓扑荷数1和2为例,设计了两种涡旋相位板,数值分析了圆偏振波垂直入射到该涡旋相位板生成交叉圆偏振涡旋光束的特性.结果表明,在1.39—1.91 THz的频率范围内产生了比较理想的不同拓扑荷数的涡旋光束,且透过率高于20%,最高可达到24%,接近单层透射式超表面的理论极限值.     

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     

双层螺旋环超表面复合吸波体等效电路模型及微波损耗机制

针对超材料吸波频带窄的问题,采用金属螺旋环超表面与碳纤维吸波材料相复合的方式,设计了宽频高性能复合吸波体.研究发现,在碳纤维吸波材料中引入双层螺旋环超表面能显著增强吸收峰值和吸波带宽,且适当增加螺旋环初始线长和吸收层厚度有利于提高复合吸波体的吸波性能, 9.2—18.0 GHz频段的反射损耗均优于–10 dB (带宽达8.8 GHz),吸收峰值达–14.4 dB.利用S参数计算得到螺旋环-碳纤维复合吸波体的等效电磁参数和特征阻抗呈现多频点谐振特性,通过构建双层螺旋环超表面等效电路模型,定量计算了复合吸波体的电磁谐振频点,发现由等效电路模型获得的谐振频点计算值与仿真值基本相符,说明该复合吸波体多频点电磁谐振是宽频电磁损耗的主要机制.     

负折射率介质测试装置设计与测试

为深人了解负折射率媒质的奇异传输特性,基于斯涅耳折射原理,设计并加工了一种用于测试X波段((8.2-12.4GHz),以亚铁磁材料为基体,内嵌金属线阵列宏结构的负折射率介质样品折射特性的实验装置.分别测试了楔形石蜡样品和楔形负折射率介质样品在波段的折射特性,对石蜡样品测试结果的分析证明了该折射特性测试装置的有效性,对负...     

基于介质与铁氧体的通阻捷变磁可调频率选择表面设计研究

提出了利用介质陶瓷和铁氧体材料构建可调型带通频率选择表面的设计思路.在C波段波导模式下通过仿真设计出高介电常数方形柱状结构,优化后使其产生宽频的负介电常数,基于等效媒质理论对该结构通阻特性进行分析研究,其传输禁带的产生途径在于介质中产生了具有类Drude谐振形式的电单极子.在相同的仿真环境下对铁氧体结构进行设计优化,调节外加偏置磁场,使铁磁谐振在相应的频点发生,产生负磁导率.利用负介电常数与负磁导率的"双负"特性规律,将两种结构进行组合,协同优化,使电磁谐振相互耦合,实现通带特性.C波段波导模式下的分析表明,两种结构在同一个频点电磁谐振耦合,可以实现"双负"通带的传输效果.在由于铁氧体的磁可调特性,通过改变外加偏置磁场,该通带可以在6—8 GHz范围内可调.对电磁场矢量分布状况和等效参数提取结果进行了数值分析研究,确定了电磁耦合的性质和形成机理,充分验证了这种方法的可行性.对该结构材料样品进行加工,并测试验证,最终实验结果与仿真结果基本一致,实现了"双负"通带的可调.该方法拓展了频率选择表面的设计思路,可用于设计多通带、可调谐频率选择表面.     

负折射指数物质中金属线对电磁波的影响

构造两种结构负折射指数物质(NRM)，利用数值模拟计算两种结构的S参数.由于这种结构尺度比波长小，为精确利用有限积分技术(FIT)进行模拟.通过对这两种结构中金属线位置变化对金属谐振频率影响进行模拟，最后得出由于金属线与谐振环耦合，金属线对称破缺影响谐振环谐振频率和通带，并对等效负折射指数为负的频带产生影响. 关键词： 负折射率 左手物质 通带 金属线对称破缺     

太赫兹波段电磁超材料吸波器折射率传感特性

太赫兹超材料吸波器作为一类重要的超材料功能器件,除了可以实现对入射太赫兹波的完美吸收外,还可以作为折射率传感器实现对周围环境信息变化的捕捉与监测.通常从优化表面金属谐振单元结构和改变介质层材料和形态两个方面出发,改善太赫兹超材料吸波器的传感特性.为深入研究中间介质层对太赫兹超材料吸波器传感特性的影响,本文基于金属开口谐振环阵列设计实现了具有连续介质层、非连续介质层和微腔结构的3款太赫兹超材料吸波器,并对其传感特性与传感机理进行了深入研究.结果表明,为了提高太赫兹超材料吸波器的折射率灵敏度、最大探测范围等传感特性,除了可以选用相对介电常数较小的材料作为中间介质层外,还可以改变中间介质层的形态,进而减小中间介质层对谐振场的束缚,增强谐振场与被测分析物之间的耦合.与传统的具有连续介质层的太赫兹超材料吸波器相比,具有非连续介质层和微腔结构的超材料吸波器具有更优越的传感特性,可应用于对待测分析物的高灵敏度、快速检测,在未来的传感领域具有更加广阔的应用前景.     

液芯高双折射率光子晶体光纤的特性研究

设计了一种纤芯区域由中心椭圆缺陷孔和其横排的上下两侧椭圆孔组成的高双折射率光子晶体光纤,并在其纤芯中心椭圆缺陷孔中填充高折射率液体物质二硫化碳.利用有限元法分析了该光子晶体光纤的双折射率、功率限制因子、模场分布及色散系数特性.研究结果表明:液芯光纤具有较高的纤芯功率限制因子,在波长0.6~1.6μm范围内实现了宽带大负色散系数,在波长1.55μm处光纤双折射率达到了6.8×10-2,即该结构液芯光子晶体光纤同时实现了宽带大负色散和高双折射率特性.通过结构参量容差性分析得到该光纤具有较好的偏振稳定性.     

基于一维金属-介质周期结构的偏振分束

分析了一维金属一介质周期结构的能带特性,根据一定频率范围内TM波(磁场方向与界面平行)在结构中的负折射以及TE波的正常折射,提出了一种偏振分束器件.利用传输矩阵法(TMM)模拟了该结构对入射高斯光束的偏振分束作用,讨论了不同入射角度下的偏振分束能力,并结合实际金属参量,分析了金属层吸收对结构特性的影响.结果表明该结构在55°附近入射时有最好的性能;在吸收作用下结构偏振分束能力有一定的减小,TM波透射比发生了较大变化,TE波效果较好;随着周期数增加,结构透射比下降,但分光能力显著提高;在工作波段上随着波长增大,金属层吸收对器件的影响减弱.该结构能实现宽波段、宽角度、较高透射比的偏振分束.     

带有同心双圆环谐振腔的MIM波导的Fano谐振特性研究

本文设计了一种支持多重Fano谐振的金属-介质-金属(MIM)型表面等离子体光波导(SPW)结构,该结构由带有枝节谐振腔的直波导耦合同心双圆环谐振腔组成。利用有限元法进行数值仿真,研究了耦合距离、枝节的高度以及同心双圆环内、外环半径对Fano传输特性的影响。同时,结合磁场分布图,分析了多重Fano谐振形成的物理机理。另外,通过改变填充在同心双圆环谐振腔内介质材料的折射率研究了该结构在折射率传感器领域的应用。该波导结构具有灵敏度为1 400nm/RIU,品质因数高达1 380的传感特性。最后,本文研究了该波导结构的慢光特性,研究表明Fano峰附近的最大群折射率约为11.4,最大延迟时间约为0.076ps。这种SPW结构在纳米尺度的滤波器、折射率传感器以及慢光器件等领域有着潜在的应用前景。     

分层有耗手征介质中斜入射电磁波的传播矩阵

根据相位匹配条件,推导了平面电磁波斜入射情形下分层有耗手征介质中本征波复数波矢量的实部和虚部,二者方向不同使得在介质中传播的本征波为非均匀平面波.然后通过波矢量实部确定了介质中本征波的折射角.最后根据边界条件和本征波场方程给出了分层有耗手征介质中斜入射电磁波的传播矩阵,该传播矩阵可用于解析分析任意入射角情形下分层手征介质的反射透射和电波传播特性.     

光波段多频负折射率超材料

从光波段圆孔形双鱼网结构的负折射材料模型出发,采用基于有限积分技术的CST软件系统研究了原胞结构的改变对负折射行为的影响.数值仿真结果表明,对原胞结构做微小调节也可获得负折射率频带的增大效应.将双鱼网结构改为阶梯形孔洞和半球形孔洞结构,可以在更多的频段里出现负折射率,并且谐振频率发生了一定的红移.半球形孔洞的双鱼网结构可以方便地用化学模板法制备,这为从实验上实现红外及可见光波段的多频负折射材料提供了一种简单可行的方法. 关键词： 负折射率 多频段 双鱼网结构     

双纳米棒周期结构的吸收特性和折射率敏感特性研究

超材料完美吸收器在折射率传感器的研究中是非常重要的。利用时域有限差分方法,对表面等离激元结构进行仿真模拟。设计双纳米棒周期结构,根据阻抗匹配原理,优化顶层结构的参数,得到在波长12 mm左右时,结构对光波的吸收率达到99.6%。研究结构吸收光谱特性随结构周围空间介质折射率的变化,得到双纳米棒结构的灵敏度为4 008 nm/RIU,该结构可用来测量气体的折射率。