【摘要】：手性是在自然界中普遍存在的一種重要幾何屬性,它源自于物體結構自身鏡面對稱性的缺失。材料的手性特征能夠引起許多特殊的現象,例如藥物分子的旋性會對生命體產生影響、電子在手性分子中的透過率會受到其自身自旋取向的影響等。在光學領域,當手性結構與圓偏振態(tài)的光相互作用時,也會有許多特殊的響應出現,包括旋光性、偏振轉換二色性等,這些效應在通信、成像、傳感等領域具有十分重要的作用。然而自然界中的結構由于其尺寸與光波長不匹配等因素,手征響應一般比較微弱,這對我們研究手性光學造成了一定的困難。隨著研究的發(fā)展,異向介質(Metamaterial)的出現為手性光學的研究提供了很大的幫助。我們可以通過人工設計合理的結構來實現強烈的手征響應,在此基礎上可以進行對圓偏振光的有效調控。除此之外,作為人工構造材料,異向介質還具有許多自然界材料不具備的性質,如負折射率、強烈手征響應等。作為異向介質的二維形態(tài),超構表面(Metasurface)同樣能用于手性光學的研究,并且相對于三維異向介質來說超構表面的體積更小,設計和制作更為簡單,更有利于器件的小型化和集成化。本論文以超構表面的手征響應為重點,在新型超構表面的設計和實現等方面做了相關的研究。本文的具體研究內容歸納如下:1.首先我們利用散射矩陣理論對普通超構表面做了一般性分析,說明了超構表面旋光性、偏振轉換二色性等存在的條件,并且分析了單層超構表面的偏振轉換限度,最后對幾類常見超構表面的傳輸矩陣進行了分析,為我們后續(xù)對超構表面的研究和設計提供了基礎。2.對雙各向異性超構表面的空間色散特性進行了研究,證明了超構表面可以同時具有強烈的線偏振二色性和圓偏振二色性。通過仿真和實驗,我們證明了非手性雙各向異性超構表面在外界場垂直入射時可以具有強烈的線偏振二色性,即只能吸收兩種線偏振態(tài)波的其中一種;在傾斜入射時可以具有強烈的圓偏振二色性,即只能吸收兩種圓偏振波的其中一種。在此基礎上,我們通過調整超構表面單元的尺寸和取向還設計了雙頻段手性和具有混合手性特征的超構表面。3.我們將二維材料范德瓦爾斯異質結的概念引入超構表面的設計中,利用反向堆疊的超構表面能夠實現了圓偏振波的手性反轉分離。這種結構可以將一種圓偏振態(tài)的波反射另一種圓偏振態(tài)的波透射,并且改變其偏振狀態(tài)。通過分析我們得出這種現象的產生是由結構特殊的層間耦合作用所引起的。這種結構也可以被用作線偏振波分束器,即能夠將線偏振的入射波分成兩束狀態(tài)正交的圓偏振波,一束被反射另一束透射,這種功能與入射波的偏振方向是無關的。另外,我們設計的結構還具有非對稱傳輸的性質,在外界波反向入射時,結構的手性特征會發(fā)生反轉。4.通過超構表面與二極管的結合設計了手征響應可調控的超構表面。我們首先設計了一種手性開關超構表面,通過切換PIN二極管的導通和截止狀態(tài)可以調控超構表面手征響應的強弱。我們還設計了一種多狀態(tài)可切換超構表面,利用兩個二極管與超構表面結合,設計出四種狀態(tài)可切換的超構表面,分別對應左旋偏振吸收、右旋偏振吸收、都吸收和都不吸收四種情況。5.利用幾何相位原理實現了具有手性分束聚焦功能的超構表面。我們使用三層超構表面結構實現了一種平面超構透鏡,這種透鏡可以實現對一種圓偏振波的透射聚焦,對另一種圓偏振波的反射發(fā)散,并且具有非對稱傳輸特性,最后我們在微波頻段對這種超構透鏡進行了仿真和實驗驗證。
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：O436.3;TH237.5
【圖文】：

邐山東大學博士學位論文邐逡逑奇妙的現象：蝴蝶的翅膀可以顯示出斑斕的色彩，這是由于其表面的樹狀結逡逑構所引起的［３］；甲蟲在不同圓偏振光的照射下會反射不同的色彩，這是源逡逑自于甲蟲殼表面螺旋形的結構［４］；公元四世紀羅馬人使用一種紅寶石玻璃逡逑制作了著名的萊克格斯杯（Ｌｙｃｕｒｇｕｓ邋Ｃｕｐ），當光源在杯子外面照射時，杯子逡逑看起來呈現綠色，而當光源在杯子內照射時，杯子看起來就是紅色的，這種逡逑現象則是源于混合于材料內部的金銀顆粒分布［５邋］。這些新奇的現象都指引逡逑這我們去探索新的物理規(guī)律。逡逑

［ｇ邋Ｉ邋ｉ邋ｊ邋ｉ邋”＜０邐ｃ＜０邐ｎ＜０逡逑ＪＪＩＪ邋＾＼＼＼逡逑圖１．２邋（ａ）首個（；Ｈｚ頻段實現負折射率的結構丨１８｜；邋（ｂ）在光頻段實現負折射率的逡逑結構丨１９｜逡逑Ｇ邋ｊ�。洌浚溴澹澹簦澹悖�？ｏｍａｇｎ＃ｔ＞ｃ邋ｗ；ｉｖ？逡逑７邋．邐＇，邐（ｂ）逡逑＊邐ｒ邋．“ｒ＞。邐＜ｒ＞0．．ｒ．0逡逑Ｊ．．邐N邋Ｊ邋．邐邐邐—邐邐邐逡逑，＂邋：，邋二二逡逑圖１．３邋（ａ）利用異向介質實現電磁隱身丨２４丨；（ｂ）利用異向介質實現“彩虹效應”｜２７丨逡逑進入２１世紀以來，異向介質領域快速發(fā)展，人們不斷構造出新的結構逡逑并發(fā)現一系列新的現象，也正是由于其發(fā)展迅速，異向介質一直沒有一個明逡逑確的定義［３邋３邋］。人們普遍認同的一種觀點是異向介質是一種人工構造的具有逡逑特殊性質的材料，這里我們遵循的異向介質的定義是：逡逑異向介質是一種人工構造的亞波長單元構成的陣列結構（Ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ逡逑ａｒｅ邋ｐｅｒｉｏｄｉｃ邋ａｒｒａｙｓ邋ｏｆ邋ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ邋ｗｉｔｈ邋ａ邋ｐｉｔｃｈ邋ｓｍａｌｌｅｒ邋ｔｈａｎ邋ｔｈｅ逡逑

山東大學博士學位論文逡逑么找到一種合適的方法對其物理性質進行表征是研宄的關鍵所在。三維體結逡逑構的異向介質通常使用等效介電常數、等效磁導率、等效折射率的方法來對逡逑其進行表征，然而由于超構表面是一種二維結構，其厚度遠遠小于波長，所逡逑以使用這種方法來對其進行表征的時候會出現一些問題［４８］。于是，Ｃ．邋Ｌ．逡逑Ｈｏｌｌｏｗａｙ教授提出可以使用等效的表面電、磁極化率對超構表面進行表征，逡逑并且利用表面過渡條件（Ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ邋ｓｈｅｅｔ邋ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ邋ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，邋ＧＳＴＣｓ）進逡逑行了詳細的理論分析［４４．４９．邋５0ｈ至此，超構表面的概念變得更加清晰，發(fā)逡逑展也更為迅速。逡逑

【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 ;第五屆《手性分子的合成、組裝與應用學術研討會》簡訊[J];云南民族大學學報(自然科學版);2016年03期

2 海峰;;太空中存在手性分子[J];科學大觀園;2016年20期

3 王文清，盛湘蓉;生命和手性分子的起源[J];生命科學;1995年03期

4 胡永紅;陳志遠;趙東;毛彩霞;;軸子在手性分子與非手性物質間誘導產生的宏觀力[J];湖北科技學院學報;2012年12期

5 李俊慶,辛麗,張學如,劉樹田,李淳飛;基于螺旋單電子模型的手性分子的三階非線性極化率[J];光子學報;1998年10期

6 王建英,羅遼復;極化電子和手性分子的相互作用[J];中國科學(B輯 化學 生物學 農學 醫(yī)學 地學);1985年10期

7 王曉鷗,李俊慶,鄭仰東,辛麗,李淳飛;手性分子介質非線性光學研究新進展[J];物理;2004年08期

8 玄兆坤;非手性金屬卟啉的手性分子識別研究[J];承德民族師專學報;2005年02期

9 張麗麗;徐敏;;以發(fā)展學生化學核心素養(yǎng)為本的“手性分子”教學設計[J];化學教學;2019年04期

10 石云;趙志剛;劉興利;;聯苯二甲酸類手性分子鉗的微波合成[J];有機化學;2007年07期

相關會議論文 前10條

1 李正義;殷樂;李如洲;孫小強;;微手性分子概念[A];中國化學會第八屆全國分子手性學術研討會論文摘要集[C];2017年

2 王志剛;;納米尺度限域條件下的手性分子[A];手性中國2014學術研討會論文摘要集[C];2014年

3 穆宏磊;龔睿;孫義民;羅增偉;李寶華;傅恩琴;;新型手性分子鉗的合成及其對手性羧酸的識別研究[A];中國化學會全國第十三屆大環(huán)化學暨第五屆超分子化學學術討論會論文選集[C];2006年

4 ;“2008年手性分子起源與識別學術研討會”[A];“2008年分子手性起源與識別學術研討會”論文集[C];2008年

5 ;“2008年手性分子起源與識別學術研討會”日程安排表[A];“2008年分子手性起源與識別學術研討會”論文集[C];2008年

6 李一志;;手性分子單晶結構解析中若干問題的探討[A];中國晶體學會第四屆全國會員代表大會暨學術會議學術論文摘要集[C];2008年

7 王泉明;;手性籠和手性簇的配位組裝[A];中國化學會第八屆全國分子手性學術研討會論文摘要集[C];2017年

8 孫蒙;周文U

本文編號：2795885