【摘要】：人工周期性超材料開啟了光子學(xué)領(lǐng)域近十幾年來的新篇章,吸引了國內(nèi)外科學(xué)家的廣泛關(guān)注。超材料是由人為所設(shè)計的尺寸小于波長的周期性或非周期性結(jié)構(gòu)單元所組成,可以展現(xiàn)出特殊的自然材料并不具備的電磁特性。其中介電常數(shù)和磁導(dǎo)率均為負(fù)的左手超材料引起了科學(xué)界極大的興趣。隨著對左手材料越來越深入的了解,科學(xué)家提出了能夠?qū)崿F(xiàn)左手效應(yīng)的復(fù)合左右手傳輸線超材料的概念,然后進(jìn)行了大量的實(shí)驗研究。由于其具有損耗低、較寬的寬帶以及非線性的相位常數(shù)等優(yōu)點(diǎn),一系列基于復(fù)合左右手傳輸線理論的新型射頻器件以及微波天線相繼被提出。本文率先將微波段的復(fù)合左右手傳輸線的概念在對于光電器件領(lǐng)域具有十分重要地位的中紅外波段里實(shí)現(xiàn),為中紅外波段研發(fā)一種新型的超表面結(jié)構(gòu),并且為新型紅外器件的研制奠定基礎(chǔ)。本文主要的研究成果如下:首先,基于HFSS電磁仿真,設(shè)計并提出一種新型復(fù)合左右手超表面結(jié)構(gòu)。該超表面結(jié)構(gòu)由銅基底、二氧化硅和U型天線陣列三層結(jié)構(gòu)組成。本征模式和反射光譜的仿真結(jié)果表明該超表面結(jié)構(gòu)同時具有左手和右手超表面模式。其次,根據(jù)設(shè)計的結(jié)構(gòu),成功制備出復(fù)合左右手超表面樣品,主要的技術(shù)手段包括用電子束蒸發(fā)在硅片上制備銅膜以及通過電子束光刻使“U”型金天線陣列的圖形化。制備過程中克服了二氧化硅薄膜易從金襯底上脫落及小尺寸天線加工等技術(shù)問題。最后,基于傅里葉變換紅外光譜(FTIR)的測試結(jié)果表明所研制的超表面具有復(fù)合左右手效應(yīng)。我們自主搭建了角度可變的傅里葉變換紅外光譜測試系統(tǒng),反射光譜的測試表明所研制的超表面在19-21THz范圍內(nèi)有左手模式,在45-50THz范圍內(nèi)有右手模式,驗證了中紅外復(fù)合左右手效應(yīng)。此外,論文深入分析了超表面模式的損耗機(jī)制,結(jié)果表明左手模式主要的損耗來源于二氧化硅和金屬的材料損耗,而右手模式主要的損耗來源于漏波輻射。為了解釋實(shí)驗觀測的復(fù)合左右手效應(yīng),論文建立了傳輸線電路模型,給出了相應(yīng)的電容電感數(shù)值,很好地解釋了復(fù)合左右手效應(yīng)的機(jī)理。
[Abstract]:Artificial periodic metamaterials have opened a new chapter in the field of photonics in recent years and attracted wide attention of scientists at home and abroad. Metamaterials are composed of periodic or aperiodic structural units designed to be smaller than wavelength, which can exhibit electromagnetic properties that special natural materials do not possess. The left-handed metamaterials with negative permittivity and permeability have attracted great interest from the scientific community. With the further understanding of left-handed materials, scientists have proposed the concept of composite left-handed transmission line supermaterials which can realize left-handed effect, and then carried out a large number of experimental studies. Because of its advantages of low loss, wide bandwidth and nonlinear phase constant, a series of novel RF devices and microwave antennas based on the theory of compound left-hand transmission line have been proposed one after another. In this paper, the concept of composite left-hand transmission line of microwave segment is first realized in the mid-infrared band, which plays an important role in the field of optoelectronic devices, and a new super-surface structure is developed for the mid-infrared band. It also lays a foundation for the development of new infrared devices. The main results of this paper are as follows: firstly, based on HFSS electromagnetic simulation, a novel supersurface structure of left and right hand is designed and proposed. The supersurface structure consists of copper substrate, silica and U-antenna array. The simulation results of intrinsic mode and reflection spectrum show that the supersurface structure has both left-handed and right-hand supersurface modes. Secondly, according to the designed structure, the composite supersurface samples of left and right hand have been successfully prepared. The main technical means include the preparation of copper film on silicon by electron beam evaporation, and the patterning of "U" type gold antenna array by electron beam lithography. The fabrication process overcomes the technical problems of silicon dioxide thin film falling off the gold substrate and small size antenna processing. Finally, the test results based on Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) show that the developed supersurface has a compound left-right hand effect. We have built a Fourier transform infrared spectrum testing system with variable angle. The reflection spectrum test shows that the developed supersurface has left-handed mode in 19-21THz range and right-hand mode in 45-50THz range. The middle infrared composite left and right hand effect is verified. In addition, the loss mechanism of the supersurface mode is analyzed in depth. The results show that the loss of the left-handed mode is mainly from the material loss of silicon dioxide and metal, while the loss of the right-hand mode is mainly from the leakage radiation. In order to explain the compound left-right hand effect observed in the experiment, the transmission line circuit model is established, the corresponding capacitance inductance is given, and the mechanism of the compound left-right hand effect is well explained.
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TB33

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本文編號：2344831