超表面與超材料介紹

1、Dakun LaiCourse for Graduate StudentUESTC超材料與超表面超材料與超表面Dakun LaiCourse for Graduate StudentUESTC一、緒論一、緒論1、傳統(tǒng)的光學(xué)元件、傳統(tǒng)的光學(xué)元件原理原理：光波的折射和反射（對入射光進(jìn)行調(diào)制）。實現(xiàn)實現(xiàn)：工作光波前的聚焦、成像、分色等光學(xué)功能。 通過光程的積累來實現(xiàn)相位的改變，因此，相位變化與光學(xué)元件的厚度成正比。2、第第2代光學(xué)元件代光學(xué)元件:衍射光學(xué)元件衍射光學(xué)元件原理：原理：光波的衍射理論通過：通過：計算機輔助設(shè)計和超大規(guī)模集成電路技術(shù)，在片基上刻蝕出深淺不一的特定浮雕結(jié)構(gòu) 實質(zhì)上還是光程的積

2、累，其變薄的秘訣在于摒棄了光學(xué)元件中冗余的2相位。3、第第3代光學(xué)元件代光學(xué)元件：平板光學(xué)元平板光學(xué)元件件實現(xiàn)實現(xiàn)：渦旋光束、寬帶光彎曲、雙偏振金屬透鏡以及平板軸錐鏡實驗Dakun LaiCourse for Graduate StudentUESTC二、超表面二、超表面1、新型人工電磁材料新型人工電磁材料 將具有特定幾何形狀的亞波長宏觀基本單元周期性或非周期性地排列所構(gòu)成的人工材料。 就是用有序的人造單元“粒子”代替自然界材料的分子或原子等基本粒子，所組成一種等效材料2、超表面超表面 一種基于廣義斯涅爾定律，通過控制波前相位、振幅以及偏振進(jìn)行電磁/光學(xué)波束調(diào)控的新結(jié)構(gòu)。 是一種超薄二維陣列平

3、面，由超材料結(jié)構(gòu)單元組成，它可以靈活有效的操縱電磁波的相位、極化方式、傳播模式等特性。Dakun LaiCourse for Graduate StudentUESTC2011 年，Capasso 課題組首先提出超表面來拓展斯涅耳定律，并設(shè)計結(jié)構(gòu)的V型天線陣列的超表面結(jié)構(gòu)提供梯度的相位突變漸變相鄰天線之間相差/4相位Dakun LaiCourse for Graduate StudentUESTC三、三、新型電磁器件設(shè)計的基本理論新型電磁器件設(shè)計的基本理論3.1變換光學(xué)理論變換光學(xué)理論光光學(xué)變換學(xué)變換：就是一個廣義的坐標(biāo)變換或者稱為空間變換。變換前的空間稱之為虛擬空間，一般假設(shè)為真空，而變換后

4、的空間叫做物理空間，通常就是我們設(shè)計的器件放置的空間。只要選擇合適的變換函數(shù)，就可以將虛擬空間中的部分區(qū)域變換為物理空間中對應(yīng)的區(qū)域。3.2幾何光學(xué)理論幾何光學(xué)理論 幾何光學(xué)是研究電磁理論在波長趨近于零時情況的一門科學(xué)，是一種波動光學(xué)的近似理論。 直線傳播定律、獨立傳播定律、反射和折射定律Dakun LaiCourse for Graduate StudentUESTC3.3、費馬原理費馬原理具體內(nèi)容為：具體內(nèi)容為：光在任意介質(zhì)中從一點傳播到另一點時，沿所需時間最短的路徑傳播。又稱最小時間原理或極短光程原理。 傳播方向是沿著光程 取極值的方向。對于光波：光程的變化體現(xiàn)在相位的變化中，傳播光波的

5、相位變化取極值Dakun LaiCourse for Graduate StudentUESTC3.4、廣義斯奈爾定理廣義斯奈爾定理超表面相位突變的引入，表現(xiàn)為兩種介質(zhì)交界面的相位不連續(xù)性。假設(shè)兩路徑無限接近真實光路，則它們之間的相位差為0。廣義的斯奈爾定律廣義的斯奈爾定律：Dakun LaiCourse for Graduate StudentUESTC折射光線可以擁有任意的方向如果交界面處的相位梯度設(shè)計為常數(shù)垂直入射也可以有折射角，也可以用惠更斯原理解釋相位不連續(xù)引起的奇異電磁現(xiàn)象和通過操作龐大的人工電磁超材料獲得的奇異電磁現(xiàn)象之間存在著本質(zhì)的差異：差異： 后者一般是通過負(fù)介電常數(shù)、負(fù)磁導(dǎo)

6、率材料或者在沿著或垂直表面方向引入具有不同介電常數(shù)張量特征的各向異性的介電常數(shù)來實現(xiàn)，通常情況下比較復(fù)雜并難以操作。Dakun LaiCourse for Graduate StudentUESTC四、應(yīng)用四、應(yīng)用4.1均勻型電磁超表面均勻型電磁超表面高阻抗表面結(jié)構(gòu)高阻抗表面結(jié)構(gòu)亞波長金屬結(jié)構(gòu)/介質(zhì)層/金屬底板組成的三明治結(jié)構(gòu)Dakun LaiCourse for Graduate StudentUESTC在共振頻率附近高阻抗表面對電磁波的阻抗非常高，因此會將電磁波 完全反射高阻抗表面在不同頻率下具有反射相位均勻型電磁超表面均勻型電磁超表面偏振調(diào)控超表面偏振調(diào)控超表面Dakun LaiCour

7、se for Graduate StudentUESTC4.2、梯度超表面實現(xiàn)高效表面波耦合梯度超表面實現(xiàn)高效表面波耦合1、首次提出利用梯度超表面首次提出利用梯度超表面實現(xiàn)高效表面波耦合實現(xiàn)高效表面波耦合的全新概念的全新概念分析發(fā)現(xiàn)：滿足 ，系統(tǒng)的反射相位滿足線性分布。當(dāng) k0時，入射的傳播波被完美地轉(zhuǎn)化為表面波0( )( )12MMxxxk d Dakun LaiCourse for Graduate StudentUESTC4.2、梯度超表面實現(xiàn)高效表面波耦合梯度超表面實現(xiàn)高效表面波耦合2、要實現(xiàn)線性反射相位分布要實現(xiàn)線性反射相位分布可以選擇M(x) = const ，M(x) 或 M(x)，M(x) = const 的梯度超表面，結(jié) 構(gòu) 單 元