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清华大学很好博士学位论文丛书基于手性光场作用的超颖表面的相位调控特性及其应用
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清华大学很好博士学位论文丛书基于手性光场作用的超颖表面的相位调控特性及其应用

作者：黄玲玲
出版社：清华大学出版社出版时间：2016-12-01
开本： 其他 页数： 124
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清华大学很好博士学位论文丛书基于手性光场作用的超颖表面的相位调控特性及其应用 版权信息

  • ISBN：9787302515074
  • 条形码：9787302515074 ; 978-7-302-51507-4
  • 装帧：一般胶版纸
  • 册数：暂无
  • 重量：暂无
  • 所属分类：
    工业技术
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清华大学很好博士学位论文丛书基于手性光场作用的超颖表面的相位调控特性及其应用 本书特色

“清华大学优秀博士学位论文丛书”(以下简称“优博丛书”)精选自2014年以来入选的清华大学校级优秀博士学位论文(Top 5%)。每篇论文经作者进一步修改、充实并增加导师序言后，以专著形式呈现在读者面前。“优博丛书”选题范围涉及自然科学和人文社会科学各主要领域，覆盖清华大学开设的全部一级学科，代表了清华大学各学科*优秀的博士学位论文的水平，反映了相关领域*新的科研进展，具有较强的前沿性、系统性和可读性，是广大博硕士研究生开题及撰写学位论文的**参考，也是科研人员快速和系统了解某一细分领域发展概况、*新进展以及创新思路的有效途径。 前沿性、系统性、可读性深入专题研究领域的阶梯进入交叉学科的桥梁启迪研发创新的源泉

清华大学很好博士学位论文丛书基于手性光场作用的超颖表面的相位调控特性及其应用 内容简介

本书介绍超颖表面领域的研究现状，包括物理机制及功能应用。创新性地提出并实现了一种基于金纳米棒天线阵列的超颖表面，并以此为基础，设计了一系列新颖的功能应用，突破了传统光学器件的，可适应未来高度集成的微型光电系统的发展要求。

清华大学很好博士学位论文丛书基于手性光场作用的超颖表面的相位调控特性及其应用 目录

目录
第1章绪论
1.1超颖材料
1.1.1超颖材料简介
1.1.2超颖材料的研究现状
1.2超颖表面
1.2.1超颖表面概念的提出
1.2.2超颖表面的特点
1.2.3超颖表面的研究现状
1.3本文的主要研究内容

第2章基于手性光场作用的超颖表面特性研究
2.1引言
2.2加入表面梯度相位后的广义折射与反射定律
2.3基于圆偏振光入射的表面相位调控机理
2.3.1基于电偶极子模型推导棒形纳米天线的散射特性
2.3.2基于PancharatnamBerry相位推导棒形纳米天线
散射特性
2.4依赖于手性的广义折射定律的理论与实验
2.4.1依赖于手性的广义折射定律
2.4.2数值模拟
2.4.3实验验证
2.5本章小结

第3章手性光场调控的双极性平板透镜和宽带涡旋光束生成
3.1手性光场调控的双极性平板透镜
3.1.1引言
3.1.2双极性平板柱透镜原理及实验
3.1.3双极性平板球透镜原理及实验
3.2手性光场调控的宽带涡旋光束生成
3.3本章小结

第4章手性光场调控的表面等离激元定向激发
4.1引言
4.2基于超颖表面的SPP定向激发原理
4.3手性选择性SPP定向激发实验
4.3.1实验设计
4.3.2圆偏振光正入射下的SPP定向激发实验
4.3.3椭圆偏振光正入射下的SPP定向激发实验
4.4本章小结

第5章基于超颖表面的三维相位全息
5.1引言
5.2基于超颖表面的三维相位全息原理
5.2.1三维相位计算全息原理
5.2.2基于超颖表面的全息记录和再现原理
5.3基于超颖表面的三维相位全息的设计和实验
5.3.1三维飞机模型全息记录和再现
5.3.2三维螺旋模型全息记录和再现
5.4实验讨论
5.5本章小结

第6章结论和展望
6.1论文工作总结
6.2创新性成果
6.3展望

参考文献在学期间发表的学术论文与研究成果致谢
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清华大学很好博士学位论文丛书基于手性光场作用的超颖表面的相位调控特性及其应用 节选

　　第1章 绪论〖1〗　　1.1超 颖 材 料〖*1〗　　1.1.1超颖材料简介自然界中的物质或材料，根据其电磁响应特性通常可以分为四类，即如果以表征材料电极化响应的介电常数ε和表征磁响应的磁导率μ（暂且忽略这两个物理量的虚部，即不考虑材料的吸收损耗）为坐标轴，可以画出如图1.1所示的四象限图\[12\]：其中**、三象限的材料折射率为实数，电磁波可以在其中传播；第二、四象限的材料折射率为虚数，电磁波成为倏逝波，无法传播。大多数自然材料是非铁磁材料，位于μ=1这条线上，若其介电常数ε为正，则位于**象限，如通常的电介质（空气、水、玻璃等）；若其介电常数ε为负，则位于第二象限，如可见光和近红外区域的掺杂半导体和金属材料等。由于磁导率μ为负的自然材料很少，在光学波段不存在，只有在低频波段存在极少数自然材料属于第四象限\[34\]，而属于第三象限的介电常数和磁导率同时为负数的材料在自然界是不存在的\[2,56\]。　　图1.1根据介电常数和磁导率的取值对自然材料的分类超颖材料的英文名称是“Metamaterial”，其中“Meta”这一前缀在希腊语中表示“在……之后，超越”的意思。超颖材料泛指通过人工亚波长结构的设计而实现具有自然材料所不具备的超常物理特性的一类人造材料或者结构，其物理性质主要由亚波长几何结构和组成材料本身的性质共同决定\[57\]。根据作用对象不同，广义的超颖材料包括电磁超颖材料\[841\]、声波超颖材料\[42，43\]、液体表面波超颖材料\[44\]等。本文仅讨论电磁超颖材料。由于超颖材料通常由结构尺寸远小于电磁波波长的亚波长单元组成，使得电磁波无法分辨出内部精细结构，因此可将这样的结构单元类比为组成自然材料的原子或分子，称之为超颖单元或超颖原子（Metaatom），因此，可将超颖材料看作一种人造等效介质\[5，6\]。超颖材料的宏观物理特性主要由经过特殊设计的单个超颖单元的电磁响应决定\[5，6\]。借助于超颖材料的设计，可以扩展材料的介电常数和磁导率的取值范围，从而获得自然材料所不具备的电磁特性，使得对电磁波的调控具有更大的自由度。　　超颖材料的相关研究可以追溯到20世纪中期。1957年，Sivukhin指出当材料的介电常数ε和磁导率μ同时为负数时，电磁波在其中传播的群速度和相速度方向相反\[8\]，并指出Lamb在1904年*早做出这种预测\[9\]。1968年，苏联物理学家Veselago首次在理论上研究了负折射率材料\[10\]，并指出负折射现象仍然满足斯涅耳定律（Snells law），但其电场矢量、磁场矢量和波矢遵循左手法则，坡印亭矢量与波矢的方向相反。此外，Veselago还从理论上预测了负折射率材料存在逆多普勒效应（Reversed Doppler Effect），逆切伦科夫辐射（Reversed Cerenkov Radiation）等反常物理特性\[10\]。尽管金属材料的介电常数在一定频率范围内可以为负，但自然界中很难找到同频率范围内的磁导率为负的材料，因此，对负折射率材料的研究在很长一段时期内未引起足够的重视。　　1987年，Yabnovitch和John将自然晶体中电子能带的概念拓展到光子，提出光子晶体，即通过设计具有周期性介电常数分布的结构，利用晶格结构的布拉格衍射来调控光子能带，操纵光波的传播\[11，12\]。1996年，Pendry等人\[13\]提出一种基于金属导线阵列的等效介质结构，通过调整金属导线的结构参数使其等效等离子体频率ωp降低，实现对等效介电常数的调控；1999年，Pendry等人\[14\]再次提出一种金属开口谐振环（Split Ring Resonator，SRR）结构，可将其等效为磁偶极子，通过合理设计结构参数可使其等效磁导率为负。基于这两种人造结构的设计，使实现介电常数和磁导率同时为负的人造材料成为可能。超颖材料这一概念也是在这一时期被正式提出，引起了学术界对超颖材料研究的关注。2000年和2001年，Smith课题组正是基于金属导线阵列和SRR阵列结构的设计，首次在微波波段实验实现了负折射率的超颖材料\[1516\]。此后，人们对超颖材料的研究集中于将其工作频率从微波波段向高频波段发展，各种类型的超颖单元设计陆续被提出\[57\]，研究范围也逐渐不再局限于实现负介电常数和磁导率，围绕超颖材料在光学领域中的特性和应用研究也成为前沿热点。　　1.1.2超颖材料的研究现状　　超颖材料如果按超颖单元的结构类型划分\[7\]，可分为二维的单层平面结构、准三维的多层平面结构以及三维结构，如图1.2所示。从图中可知，超颖材料通常具有一定厚度和空间立体排列方式\[7\]，依赖光场在传播路径上的累积所产生的效应，从而增强电磁响应和相互耦合，具有等效的各向异性介电常数张量或磁导率张量。通过对构成超颖单元的巧妙设计和利用，可以调控等效介电常数和磁导率的空间分布、频率和波矢的色散关系、以及光场的空间振幅和相位分布等，从而控制电磁波的传播，实现一些自然界不存在的超常物理现象。　　图1.2二维、准三维和三维超颖材料　　下面对已报道的超颖材料的一些典型特性及其研究现状进行介绍。　　（1） 负折射率材料和超透镜。负折射是指光束在两种介质界面处的折射光线与入射光线均位于界面法线同侧的现象，如果按斯涅耳定律考察，其折射角为负。实现负折射效应的途径很多，如基于光子晶体可实现负折射现象\[6\]。但要实现负折射率并不容易，通常需要构造介电常数和磁导率同时为负的超颖材料来实现等效的负折射率\[1519\]。前人已有报道的利用“渔网”结构\[18\]，SRR\[20\]和金属导线的组合阵列\[13\]等超颖材料均在特定波段实现了负折射率。负折射率材料可用于设计突破衍射极限的近远场成像\[2123\]。例如，2000年，Pendry从理论上指出ε=μ=-1的介质平板（称为Perfect Lens）可用来放大平板内的倏逝波，使得能够收集包括倏逝波在内的所有物体精细信息\[21\]；2007年Liu等人\[22\]利用多层金属介质结构，将倏逝波转化为传播波，从而将近场信息放大传输到远场，实现了超透镜（Hyperlens）。　　（2） 光学隐身（Cloaking）。2006年，Pendry\[24\]和Leonhardt\[25\]分别独立提出变换光学（Transformation Optics）的概念，即利用麦克斯韦方程组的坐标变换不变性，通过建立适当的坐标映射关系，设计材料的介电常数和磁导率的空间分布，从而实现对电磁波传播路径的控制。当入射电磁波在物体边界满足阻抗匹配条件，即电磁波在物体边界处无散射时，则可实现隐身。利用该变换光学原理，将光波在空间坐标中的传播路径映射到折射率空间，通过设计超颖材料的折射分布来实现隐身。2006年，Schurig等人\[26\]在微波波段首次实现了基于SRR的二维隐身材料，入射电磁波在壳状屏蔽层中环绕过被隐藏的内部球体边界传播，而无法进入到球状区域内部，并且出射波继续沿原方向传播，从而实现了对球状区域内被屏蔽物体的隐身。2008年，Li等人\[27\]提出利用金属表面的介质凸起结构进行等效折射率设计，隐藏该凸起下方覆盖的物体。此后，关于电磁隐身的实验研究\[2832\]扩展到了光波段，但仍很难实现针对非偏振自然光的宽波段和全角度隐身。　　（3） 超强的人工旋光性和圆二色性。光电应用中常需要对光波的偏振态进行转换或调控。改变光波偏振态的方法有多种，如利用各向异性晶体\[33\]（如方解石、红宝石等）的双折射效应、手性材料（如朱砂、蔗糖溶液）的旋光性等。由普通的非手性材料构成，但具有手性结构特征（即没有镜面对称性或空间中心反演对称性的结构，例如人的左右手）的超颖材料称为手性超颖材料\[3437\]。手性超颖材料可产生人工圆双折射效应，从而改变入射光的偏振态，实现超越自然手性材料的超常旋光性。例如，2009年Gansel等人\[35\]制作了三维螺旋结构的手性超颖材料，对左旋和右旋圆偏振光分量的透过率或反射率差别很大，从而实现了很强的宽带圆二向色性；同年，白本锋等人\[36\]利用卐形结构手性超颖材料在其零级透射光中实现了高达26.5°的偏振面旋转，相比自然手性材料而言，其等效比旋光度提高到105 °/mm，展现了超强的旋光性。　　（4） 超常的非线性效应。通过设计具有特定对称性的超颖单元结构，利用入射光子与金属表面的自由电子振荡相互作用形成的局域表面等离激元共振，可导致金属表面局域电场增强，从而增强非线性效应，突破只能在强光作用时产生非线性效应的限制\[37，38\]。2002年Lapine等人\[39\]首次在理论上指出，将二极管结构嵌入到超颖材料单元中，利用二极管的非线性电压电流特性提供该超颖材料对外场的非线性响应。2004年OBrien等人\[40\]展示了改进的SRR结构在近红外波段的局域电场强度相比自由空间中的电场强度高出多个数量级，并且观察到双稳态特征磁场。同年，Agranovich等人\[41\]对超颖材料中的布里渊散射和拉曼散射等非线性效应进行了理论研究。　　超颖材料所表现出的特性和潜在应用并不局限于以上这些方面，通过与其他领域的交叉不断产生出新的研究分支\[45，46\]。同时，微纳加工工艺的发展对于超颖材料的实现至关重要\[4752\]，尤其近些年纳米制备的迅速发展，使得复杂微纳米结构的精细加工成为可能。常用的纳米加工方法包括“自上而下”的工艺路线，如电子束光刻（Electron Beam Lithography，EBL）、聚焦离子束（Focused Ion Beam，FIB）刻蚀、纳米压印（Nanoimprinting）等\[47\]，和“自下而上”的生长方法，如基于DNA晶体\[48\]、纳米颗粒的自组装\[4950\]技术。特别地，随着三维微纳加工工艺的发展，例如多层光刻和激光直写技术等\[5152\]，推动了三维超颖材料的进展。但当前三维超颖材料（尤其是光学波段的三维超颖材料）对加工要求仍很高，使得当前的相关研究主要停留在理论和原理性实验层面，还有待进一步发展\[7,45\]。　　1.2超 颖 表 面〖*1〗1.2.1超颖表面概念的提出根据超颖材料的研究现状可得知，传统的超颖材料作为等效介质（因而也称为“体超颖材料”，Bulk Metamaterial），对光场的调控依赖于光在其中传播时与材料相互作用的积累，因此为了增强光与物质相互作用，由二维超颖材料向三维超颖材料发展似乎是一个必然的发展趋势\[7\]。然而，如上所述，三维超颖材料的加工难度很大；且大多数三维超颖材料由于包含金属成分，其欧姆损耗非常大，使得光能量的利用率很低\[7,45\]。为了克服上述两方面困难，近些年人们提出了“降维”的思路，即重新将目光聚焦于二维平面结构。但与早期的二维超颖材料研究思路不同的是，通过对超颖单元的特殊设计（尤其是基于纳米天线概念的设计），使其产生强烈的电磁辐射，并对辐射场的相位、振幅、偏振等进行人为调控，基于这样的纳米天线阵列可逐点调控出射光场的波前，从而产生特殊的近远场光学效应。由于这类超颖材料仅依靠一薄层纳米天线阵列即可产生所需的效应（而与传统体超颖材料的原理不同），因而被称为“超颖表面”（Metasurface）\[5355\]。需要注意的是，对超颖表面的概念，目前尚未有一个严格的、权威的定义，与二维平面超颖材料的界定也较模糊。　　如上所述，超颖表面通常是由亚波长尺寸的周期、准周期或随机排列的纳米天线阵列构成，根据其结构类型不同可分为两大类\[53\]：一类是颗粒型的纳米天线阵列，即在基底上排布金属纳米天线颗粒；另一类是小孔型纳米天线阵列，即在金属薄膜上打孔，这些小孔也能起到纳米天线的作用，如图1.3所示。两类互补结构可由矢量巴比涅原理联系\[1,5658\]：若电场和磁场矢量分别为E0和B的电磁波入射到一个无限大的理想导电薄屏S，而以Ec0=cB0和Bc0=－E0/c入射到一个结构互补的薄屏Sc，其中c为真空中的光速，则两个屏后方的总散射场将满足如下表达式\[58\]：E－cBc=E0,B－Ec/c=B0。（11）其中E和B，Ec和Bc分别为两互补屏S和Sc的散射场。因此，可灵活应用巴比涅原理实现互补的超颖表面结构的设计。　　……

清华大学很好博士学位论文丛书基于手性光场作用的超颖表面的相位调控特性及其应用 作者简介

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