【摘要】：超材料是一種表現(xiàn)出負(fù)折射率等特殊物理性質(zhì)的具有周期或非周期性亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的人工材料。通過(guò)對(duì)超材料中的結(jié)構(gòu)進(jìn)行定制化的設(shè)計(jì),可以使超材料具有常規(guī)材料所不具備的奇異物理性質(zhì)。這種通過(guò)改變材料中的人造結(jié)構(gòu)尺寸而對(duì)材料的性質(zhì)進(jìn)行定制的思路,拓展了人們對(duì)于材料的認(rèn)識(shí)�；诔牧系母拍�,可以設(shè)計(jì)出各種功能性器件。例如:完美吸收體,偏振轉(zhuǎn)換器,相位延遲器等。超材料完美吸收體屬于超材料中的振幅調(diào)制器,當(dāng)電磁波入射到完美吸收體表面時(shí),反射電磁波和透射電磁波的強(qiáng)度均為0,意味著電磁波被材料完全吸收。超材料完美吸收體有著實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值,比如利用超材料覆蓋的機(jī)身實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)的隱形功能。相比于傳統(tǒng)吸波器件,超材料完美吸收體有很多優(yōu)勢(shì),例如:厚度薄,穩(wěn)定性高,可定制化設(shè)計(jì)等。在實(shí)際使用中,是否可以主動(dòng)調(diào)控成為了完美吸收體能否廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素。實(shí)現(xiàn)可主動(dòng)調(diào)控的、寬譜的超材料完美吸收體仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。太赫茲波是處于電磁波譜中一個(gè)特定頻率區(qū)間(0.1 THz-10 THz)的電磁波。頻率高于太赫茲波的紅外波段以及頻率低于太赫茲波的微波波段均已經(jīng)被大量研究。但是從前由于技術(shù)的原因,缺少高效的太赫茲源和相應(yīng)的太赫茲探測(cè)器,這限制了太赫茲技術(shù)的相關(guān)研究。隨著超快激光器技術(shù)的進(jìn)步,相應(yīng)的太赫茲源以及探測(cè)器的發(fā)展,太赫茲波段的電磁波也終被人們所關(guān)注。然而,太赫茲波段主動(dòng)調(diào)控功能器件的缺乏,是限制太赫茲技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。發(fā)展主動(dòng)調(diào)控的超材料器件為太赫茲調(diào)控器件提供了絕佳的解決方案。本論文主要研究主動(dòng)調(diào)控的超材料器件。首先對(duì)主動(dòng)調(diào)控超材料完美吸收體進(jìn)行了研究,設(shè)計(jì)并提出了兩種新穎的主動(dòng)調(diào)控超材料完美吸收體結(jié)構(gòu),并且通過(guò)仿真的方式研究其吸波性能。在太赫茲超材料器件方面,設(shè)計(jì)并制作了一種太赫茲波段的超快群速度調(diào)控器件,通過(guò)實(shí)驗(yàn),仿真等手段研究了其對(duì)太赫茲群速度調(diào)控性能。本論文具體的研究工作如下:1.提出了一種主動(dòng)調(diào)控和可切換頻帶的太赫茲寬譜完美吸收體。這種完美吸收體可通過(guò)溫度控制實(shí)現(xiàn)在兩個(gè)較寬頻帶之間切換的功能。為了實(shí)現(xiàn)這種功能,我們?cè)趥鹘y(tǒng)的完美吸收體中加入了相變材料二氧化釩,通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得在相變溫度以上和相變溫度以下吸收體呈現(xiàn)不同的有效結(jié)構(gòu),從而實(shí)現(xiàn)切換功能。我們通過(guò)仿真的方式驗(yàn)證了完美吸收體的吸收性能,并利用等效介質(zhì)理論探究了完美吸收體的吸收機(jī)理。2.提出了一種基于石墨烯-介質(zhì)多層結(jié)構(gòu)的主動(dòng)調(diào)控雙帶完美吸收體。這種結(jié)構(gòu)的完美吸收體可以在兩個(gè)共振頻率處實(shí)現(xiàn)完美吸收。通過(guò)外加電壓可以調(diào)控兩個(gè)吸收峰位置。利用等離激元理論,我們研究了石墨烯-介質(zhì)多層結(jié)構(gòu)中電磁波的傳播,探究了這種結(jié)構(gòu)具有兩個(gè)吸收峰的物理機(jī)制。同時(shí)根據(jù)石墨烯-介質(zhì)多層結(jié)構(gòu)中的色散關(guān)系,推導(dǎo)出一個(gè)可以通過(guò)石墨烯費(fèi)米能級(jí)以及結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)計(jì)算吸收峰位置的經(jīng)驗(yàn)公式。通過(guò)將仿真得到的吸收峰位置和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出來(lái)的吸收峰位置進(jìn)行比對(duì),驗(yàn)證了經(jīng)驗(yàn)公式的可信度。3.設(shè)計(jì)了一種基于類電磁誘導(dǎo)透明、可超快調(diào)控的太赫茲波群速度延遲器。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)群速度的超快調(diào)控,我們?cè)趥鹘y(tǒng)的電磁誘導(dǎo)透明超表面中引入磷離子P+摻雜的微米硅結(jié)構(gòu),由于離子注入的硅產(chǎn)生了大量缺陷,使得硅中光生載流子可以快速?gòu)?fù)合。我們首先通過(guò)仿真的方式研究了所設(shè)計(jì)超表面的性能,然后利用微納加工手段制作了樣品,并利用光泵浦太赫茲探測(cè)系統(tǒng)測(cè)試樣品的太赫茲波透過(guò)率隨泵浦光延遲的變化,得到了樣品對(duì)群速度調(diào)控的性能。我們還通過(guò)耦合振蕩器模型對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行擬合,進(jìn)一步說(shuō)明調(diào)控的物理機(jī)制。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：O441.4;TB34
【圖文】：

而如果材料具有Ｓ＜０，ｐ＜０的性質(zhì)，則這三個(gè)矢量呈現(xiàn)左手系矢量組。逡逑這導(dǎo)致了以下兩個(gè)結(jié)果：（１）材料中傳播的電磁波的坡印廷矢量＊５和波矢量灸的逡逑方向相反，如圖１．２所示。（２）材料的折射率ＩＩ的符號(hào)是負(fù)值。由于具有前面提逡逑到的這些奇特的性質(zhì)，第三象限的材料（即ｓ＜０，ｐ＜０的材料）也被稱為左手材料，逡逑或者負(fù)折射率材料。從圖１．２中我們還可以看到當(dāng)電磁波從正折射率材料入射到逡逑負(fù)折射率材料的時(shí)候，折射電磁波的坡印廷矢量和入射電磁波的坡印廷矢量在法逡逑線同側(cè)，這和我們熟知的折射現(xiàn)象不同，在這種情況下折射定律也被拓展了：逡逑（１．４）逡逑ｓｉｎ＾邋％逡逑從折射定律（１．４）可以看出，當(dāng)入射到負(fù)折射率材料時(shí)，折射角是負(fù)值，這和普逡逑通情況下有很大的不同。逡逑３逡逑

Ｘ；邐＼．邐；邐＾－＞０逡逑Ｈｒ＜邐＼邐＼逡逑圖１．２電磁波從正折射率材料入射到負(fù)折射率材料界面是的折射示意圖。其中在負(fù)折射率逡逑材料中的折射波的坡印廷矢量方向和波矢量方向是相反的。逡逑１．２．邋３超材料的設(shè)計(jì)方法逡逑超材料的設(shè)計(jì)核心思想是要利用人工結(jié)構(gòu)定制材料的折射率，也就是就是要逡逑設(shè)計(jì)出特殊的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率進(jìn)行定制。在傳統(tǒng)的材料模逡逑型中，介電常數(shù)和磁導(dǎo)率通常是和頻率相關(guān)的，一般可以采用Ｄｒｕｄｅ－Ｌｏｒｅｎｔｚ模逡逑型來(lái)描述：逡逑�。矗蓿掊义稀鲥宥�；＋￥邋（１．５）逡逑其中（Ｏｐ代表材料等離子體震蕩頻率，（００代表材料中電子的固有共振頻率，丫代逡逑表和介質(zhì)損耗有關(guān)的阻尼因子。腳標(biāo)ｅ，ｍ分別代表電響應(yīng)和磁響應(yīng)下對(duì)應(yīng)的參逡逑量。對(duì)于金屬材料來(lái)說(shuō)，在低頻范圍內(nèi)，金屬的介電常數(shù)通常表現(xiàn)為負(fù)數(shù)。但是逡逑另一方面自然界中的材料很少存在磁導(dǎo)率是負(fù)數(shù)的材料，尤其是當(dāng)頻率超過(guò)太赫逡逑茲（１０１２Ｈｚ）的時(shí)候，自然界中的材料的磁響應(yīng)就會(huì)變得很弱，這主要是因?yàn)榇佩义闲圆牧系拇艠O化是源自軌道自旋或者是電子自旋

年到２００５年左右，負(fù)折射效應(yīng)依然是人們研究超材料的焦點(diǎn)方向。人們利用各逡逑種不同結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)折射率材料，并且將負(fù)折射率材料拓展到不同頻段［１５－２１］。逡逑圖１．４（ａ）即為美國(guó)加州大學(xué)Ｓｈｅｌｂｙ教授實(shí)現(xiàn)的微波波段的負(fù)折射率超材料。圖逡逑１．４邋（ｂ）為２００６年加州大學(xué)伯克利分校的Ｚｈａｎｇ邋Ｘｉａｎｇ研宄組制作的漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)，逡逑實(shí)現(xiàn)了在近紅外波段的負(fù)折射率材料。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是比較簡(jiǎn)單容易在實(shí)驗(yàn)上逡逑實(shí)現(xiàn)，很多研究者對(duì)這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了更深入的研宄。圖１．４邋（ｃ）和圖１．４邋（ｄ）分逡逑別為利用諧振環(huán)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的太赫茲波段［１５］以及紅外波段的負(fù)折射率材料［２２］。逡逑（ａ）邐（ｂ）逡逑（ｃ）邐（ｄ）邐邐邋邐逡逑．．．．．邋．．．邋．．．．．逡逑ｂｉｆｉｆｉｆｉｙ逡逑１－置一—ｍ邋ｍ一．．１逡逑■ｍｉ逡逑圖１．４邋（ａ）金屬線諧振環(huán)結(jié)構(gòu)微波波段負(fù)折射率材料。（ｂ）漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)負(fù)折射率材料。（ｃ）逡逑太赫茲波段負(fù)折射率材料。（ｄ）紅外波段負(fù)折射率材料。逡逑２００５年以后人們逐漸發(fā)現(xiàn)諧振環(huán)結(jié)構(gòu)有著更廣闊的應(yīng)用前景。利用超材料逡逑的設(shè)計(jì)思路，改變結(jié)構(gòu)的參數(shù)就可以使材料的介電常數(shù)遠(yuǎn)大于１或者使介電常數(shù)逡逑接近于０，從此超材料不僅限于負(fù)折射率材料或者左手材料，越來(lái)越多的不同特逡逑８逡逑

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本文編號(hào)：2754776