关键词:
电磁超构表面
低聚体
光束控制
电磁波谱调控
近场耦合作用
摘要:
电磁超构表面是一种由亚波长结构单元组成的二维人造电磁结构阵列,它具有天然材料所不具备的超常物理性质,能够对电磁波的振幅、相位以及偏振等参量进行精确、高效的操控。虽然目前针对超构表面的研究取得了斐然的成绩,但大多数超构表面的结构单元都只能看作是单一的电磁共振体,其可控制的结构参数较少,共振性质也较为单一。近年来,低聚体超构表面引起了越来越多的关注,其结构单元是由两个或多个电磁共振体构成的复杂耦合共振体系。其中,每个电磁共振体的形状、尺寸和排列方式都可以被独立、任意地设计,同时,由于亚波长尺度间距,它们之间存在着固有的近场耦合作用。上述特征使得低聚体超构表面在结构对称性、支持的电磁模式、耦合形式、以及产生的耦合共振效应等诸多方面都具有多样性,从而能为自由地操纵电磁波提供更丰富的设计自由度。本论文针对基于低聚体超构表面的光束控制和电磁波谱调控展开了一系列研究,具体如下:
(1)在近红外波段设计并制备了一种基于全电介质三聚体超构表面的1×2光分束器,设计了一种基于全电介质五聚体超构表面的1×4光分束器。电磁多极展开方法和定向散射特性分析表明:纳米粒子之间的近场耦合作用以及不同电、磁共振模式的远场相互作用共同导致了光的分束。特别地,1×2光分束器的分束带宽可达224 nm,最高分束效率可达97.3%。此外,纳米粒子的不对称空间排布将导致不对称的近场耦合强度,从而产生不对称的分束效果,基于此,设计了具有不同分光比的1×2光分束器。该工作为构建紧凑平面型光分束器提供了一种通用又简单的替代方法。
(2)在近红外波段设计并实验验证了一种全电介质手性二聚体超构表面,它能够支持基于Anapole态、多个准连续域束缚态和电磁诱导透明效应的多频带、多类型手性高Q共振。更有趣的是,手性Anapole态同时表现出了强圆二色性(0.75)和高Q因子(1.16×10~4),克服了手性准连续域束缚态面临的圆二色性和Q因子之间的相互制衡问题。最后探究了这种手性二聚体超构表面在传感和非线性信号增强方面的潜在应用。
(3)在太赫兹波段设计并实验验证了一种能够支持多频带偏振无关准连续域束缚态的柔性透明四聚体超构表面,它在任意偏振态下都可以提供多个具有较高Q因子的窄带共振窗口。进一步地,将所制备的超构表面与微流控通道集成,并通过测定不同浓度的牛血清白蛋白溶液证明了其在太赫兹微流控传感方面的潜在应用。
(4)设计并实验验证了一种太赫兹-微波双工作频段的柔性透明低聚体超构表面吸波器件。基于模块化自由组装设计思想,同时利用电磁共振体间的面内耦合和面间耦合,实现了太赫兹波段选择性多频带吸收和微波宽带吸收的功能。该工作拓宽了低聚体超构表面在吸收谱调控方面的应用,对于其他双工作频段甚至更多工作频段的柔性透明超构表面器件的设计与开发也具有一定的指导意义。