近幾年來,超表面技術(shù)已經(jīng)成為光通信領(lǐng)域的熱點研究方向之一。超表面是一種結(jié)合光電子技術(shù)和納米技術(shù)的人工合成材料,可以實現(xiàn)對光的振幅、相位和偏振態(tài)的靈活調(diào)控,進(jìn)而產(chǎn)生光束偏轉(zhuǎn)、波前聚焦和偏振轉(zhuǎn)化等器件效果。傳統(tǒng)的超表面光學(xué)系統(tǒng)多是由金屬和介質(zhì)材料組成的,金屬超表面存在高損耗、共振分散以及納米尺度制造困難等問題限制了它在超表面領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。同樣,介質(zhì)超表面也存在功能單一、可調(diào)性差等缺點無法成為我們的研究對象。石墨烯是一種六邊形碳原子蜂窩狀排布的二維超材料,表現(xiàn)出獨特的光電特性,它的高載流子遷移率、金屬般的負(fù)介電常數(shù)以及可調(diào)的費米能級等特點吸引了我們的關(guān)注。利用石墨烯和超表面組成的石墨烯超表面器件,可以通過柵壓調(diào)控和化學(xué)摻雜等方法進(jìn)行靈活調(diào)控,單層和多層結(jié)構(gòu)也可以通過納米印刷和光刻法輕松獲得。此外,石墨烯的超薄特性也大大降低了光在石墨烯超表面上的傳播損失。基于石墨烯超表面研究的具體內(nèi)容如下:（1）設(shè)計了一種多功能可調(diào)諧太赫茲石墨烯超表面;利用石墨烯超表面技術(shù)設(shè)計完成了一種多功能、寬帶、高效和可調(diào)的新型超表面器件。在石墨烯條帶的局部等離子體共振和介電層的法布里-珀羅（Fabry-Perot）共... 

【文章來源】：合肥工業(yè)大學(xué)安徽省 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：59 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

超材料與超表面；（a）超材料結(jié)構(gòu)示意圖；（b）光學(xué)超表面示意圖

第一章緒論5的方式來動態(tài)調(diào)控石墨烯的電導(dǎo)率。石墨烯超表面，正是運用了超表面概念并結(jié)合石墨烯材料所組成的具有獨特光學(xué)性質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)，如圖1.2（b）所示。相比于傳統(tǒng)的硅基結(jié)構(gòu)表面和金屬天線陣列，單層超原子結(jié)構(gòu)和極強的光能束縛效果使得石墨烯超表面能成為一種優(yōu)異的光子集成器件結(jié)構(gòu)，解決兩者所不滿足的種種光學(xué)調(diào)制問題，被激發(fā)的石墨烯超表面由于等離子體激元效應(yīng)可以傳播數(shù)百個波長單位，在橫向電場上限制極小，這也說明了石墨烯超表面的應(yīng)用范圍可能會更為廣泛。因此，基于石墨烯和超表面的種種優(yōu)異性質(zhì)，結(jié)合兩者的研究成果所得到的石墨烯超表面幾乎表現(xiàn)出完美的電磁效應(yīng)和強大的動態(tài)可調(diào)特性�；谑┏砻妫惨呀�(jīng)研究了如吸收器[10]、偏振轉(zhuǎn)換器[11]、分束器[12]、聚焦器[13]、傳感器[14]、隱身器[15]等諸多有效電磁波操控器件。圖1.2石墨烯與石墨烯超表面；（a）石墨烯結(jié)構(gòu)圖；（b）石墨烯超表面示意圖Figure1.2Grapheneandgraphenemetasurface;(a)Graphenestructurediagram;(b)Graphenemetasurfaceschematic反射式超表面研究現(xiàn)狀。反射式超表面相比透射式表面，解決了部分效率低下和加工困難等難題。最早的反射式超表面是從金屬材料入手的，幾乎能夠完全反射所有的光能量，使光線利用率幾乎能夠達(dá)到100%的有效效果。利用反射式超表面已經(jīng)實現(xiàn)的眾多有效的光學(xué)調(diào)制效果，如圖1.3所示。1.3（a）的電磁偏折器，梯度指數(shù)超材料通過利用反射模式下低質(zhì)量（Q）元表面和薄的漸變折射材料覆蓋層實現(xiàn)在微波范圍內(nèi)40%相對帶寬的異常反射[16]。如圖1.3（b）所示寬帶電磁吸收器，提出的一種寬紅外吸收器使用結(jié)構(gòu)化鎳鉻合金薄層實現(xiàn)了97%吸收率的吸收器[17]。如圖1.3（c）所示定向表面波耦合器，理論和實驗上都實現(xiàn)了梯度結(jié)構(gòu)超表?

合肥工業(yè)大學(xué)專業(yè)碩士研究生學(xué)位論文`6圖1.3幾種不同的反射式超表面；（a）反射式偏折器效果圖；（b）寬帶單元吸收器；（c）定向表面波耦合器；（d）全息投影器件圖Figure1.3Severaldifferentreflectivemetasurfaces;(a)Effectdiagramofreflectivedeflector;(b)Broadbandunitabsorber;(c)Directionalsurfacewavecoupler;(d)Holographicprojectiondevicediagram石墨烯超表面偏振轉(zhuǎn)化和波前重塑研究現(xiàn)狀。相比普通的超表面，石墨烯超表面的可調(diào)性一直是吸引我們工作者的興趣方向之一，這種可調(diào)性表現(xiàn)在對光的振幅調(diào)制，此外，還能實現(xiàn)對波前的相位重塑�；谑┏砻婵烧{(diào)特性和偏振轉(zhuǎn)化特性，已經(jīng)實現(xiàn)了下列眾多研究成果。如圖1.4（a）所示，不對稱的石墨烯納米交叉（在0.75eV費米能級下）表現(xiàn)出兩個不同的共振，對不同的波長下表現(xiàn)不同偏振性（接近100°和90°）的光學(xué)活動[20]。如圖1.4（b）和1.4（c）所示，通過布置納米帶所需的費米能級分布實現(xiàn)的反常折射鏡和平面透鏡。此外，結(jié)構(gòu)化石墨烯還可以適當(dāng)安排獲得所需相位（如特定的幾何參數(shù)或指定的費米能級等）以重塑波前，在超薄設(shè)備中實現(xiàn)許多功能。結(jié)構(gòu)化的石墨烯實現(xiàn)的折射模式如圖1.4（d）和（e）所示,表現(xiàn)出異常反射和艾爾光束等特定效果[21][22]。此外，結(jié)構(gòu)化石墨烯還有的方法就是利用Pancharatnam-Berry（PB）相位實現(xiàn)光束的特定操縱[23]。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]基于硅基超表面材料的光功率分配技術(shù)研究(特邀)[J]. 王宇,陶金,劉子晨,尤全,楊奇,劉勇,毛慶洲,吳偉標(biāo),何平安,李松,鄭國興.  光通信研究. 2017(06)
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