手性超材料线偏振转换及可调性研究
人工电磁超材料由人工超原子构成，其电磁特性由人工“超原子”的几何结构决定。通过人为的设计微结构单元，能够实现常规自然界材料所不具备的奇异特性。例如，负介电常数，负磁导率，负折射现象，逆多普勒效应，以及超强的电磁波极化旋转能力等。超材料的出现打破了许多常规的物理思想，极大的开拓了我们对材料科学的认知，成为了当前国际上的前沿课题之一。 手性是指物体不能通过平移或者旋转与其镜像重合的特性。在自然界中手性特性是普遍存在的，但常规介质的手性特性普遍较为微弱。相比之下，人为设计的手性超材料相对于自然界媒介来说拥有更强的手性特性。在本论文中，我们研究了两种具有手性效应的人工电磁超材料器件，包括超材料极化转换器和基于VO2的可调手性超材料两个方面。论文主要内容如下： 第一部分研究了一款工作在Ku波段的电磁超材料极化转换器。其单元结构由双层开口立方体组成，上下两层的立方体开口方向相差90°。在15.1-15.4GHz频率范围内，对于y极化方向电磁波的极化转换效率超过90%，实现了比较完美的极化转换效应。当入射电磁波的极化方向和入射角度发生改变时，超材料极化转换器对于电磁波的转换效率也会发生较为明显的变化。当电磁波极化方向沿y轴方向且入射角度为0°时，其转换效率最高。经过实验测试得到的电磁波转换效率与预期结果相一致，验证了实验的可行性。通过改变超材料单元结构的尺寸大小，能够使其在不同的频率范围内实现电磁波的极化转化效应。 第二部分研究了一款工作在太赫兹波段的基于VO2的可调手性超材料。超材料结构单元由三层组成，其中上层和下层分别为厚度为500nm的金和3um的VO2，在金和VO2薄膜上均有尺寸大小相同的椭圆形孔。中间层由厚度为42um的SiO2组成。相变材料VO2随着温度的变化会从绝缘态转变为金属态，同时伴随的电导率发生急剧的变化（约为4个数量级），这种性能的转变是由于VO2晶体结构变化的结果。根据这一特性，模拟证明了基于VO2的椭圆形手性超材料的手性响应（如圆二向色性和其他光学活性等）与VO2在太赫兹频率下的电导率变化密切相关。当VO2处于金属态时（σ1=3×103），该手性超材料对于频率为0.7THz的圆极化波的圆二色性（CD）可达44°，且当入射电磁波为0.7THz的线性极化波时，电磁波透过超材料后其偏振面最大能发生240°/λ的旋转。当VO2处于绝缘态时，该手性超材料不具备手性效应，对于左旋和右旋圆极化波具有相同的电磁响应。
偏振转换;手性超材料;极化转换器
武汉纺织大学
硕士
电子与通信工程
汪胜祥;陈前臣
2019
中文
TB34
2020-03-26（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）