全介质超材料中高Q谐振及电磁诱导透明研究
超材料(Metamaterial)是人工设计的具有亚波长结构的周期性排列电磁复合材料。谐振是超材料的最基本属性，而高品质因子（Q）谐振可通过高 Q 电磁谐振或电磁诱导透明（Electromagnetically Induced Transparency，EIT）等方法来实现。高Q超材料谐振器由于在高灵敏度传感、窄带滤波、电磁波调制、光存储及慢波器件等领域具有重要应用而受到研究人员广泛关注。超材料可分为金属超材料和介质超材料。由于金属超材料存在固有的金属材料欧姆损耗，限制了高Q谐振的实现，特别是在光波段，欧姆损耗更大。而全介质超材料则避免了欧姆损耗，为实现高Q谐振提供了可能途径。但目前这方面报道还很少。本文主要研究内容如下： （1）设计了一种全介质对称结构超材料高Q谐振器。该谐振器是由石英衬底和衬底之上矩形硅棒阵列构成。当入射电磁波电场垂直于硅棒时，可以激发硅棒的环偶谐振（介质谐振器 TE12δ模式），通过调节棒与棒之间的距离可实现强的电磁场近场耦合，从而提高谐振Q值，优化设计后的计算Q值高达104。另外，在入射电磁波电场平行于硅棒时，则可实现高Q Mie磁谐振（介质谐振器TM12δ模式）。 （2）将超材料作为光栅与平板波导结合，设计了一种基于导模谐振的全介质电磁诱导透明超材料谐振器。谐振器结构由石英波导层和位于波导层之上的二维周期性介质硅棒构成。通过二维介质棒的衍射作用，使得入射电磁波耦合入波导层中，低Q Mie谐振和高Q导模干涉相消形成类EIT效应。通过优化硅棒几何参数，从而改变光栅调制深度，实现高Q谐振。仿真计算获得的Q值可达27000，群折射率为5000。 （3）提出了一种“S”型电磁诱导透明全介质超材料谐振器。该谐振器是由“S”型硅条和石英衬底构成。通过破坏“S”型结构的对称性，使得低Q环偶极谐振与高Q磁偶极谐振相互干涉相消形成类EIT效应。计算类EIT谐振Q值高达104，且振幅保持在0.85以上，用于折射率传感中灵敏度为335nm/RIU。 （4）作为与全介质超材料谐振器的对比，我们设计并制备了“S”型电磁诱导透明金属超材料谐振器。该结构同样是破坏“S”结构的对称性来实现对EIT谐振的调控，在不考虑衬底材料的损耗时计算最高Q值为54。由于实际材料损耗及实验误差的限制，实验中获得的Q值为14，与数值计算相符。
全介质超材料;电磁诱导透明;高Q谐振;数值计算
中国计量大学
硕士
控制工程
洪治;吴乐昌
2018
中文
TN303;O433.4
2019-04-30（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）