手性超表面的圆二色性数值研究

作     者：覃伟根 

作者单位：四川师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：谢征微

授予年度：2022年

学科分类：070207[理学-光学] 07[理学] 0702[理学-物理学] 

主      题：超表面 手性 圆二色性 Born-Kuhn模型 数值模拟计算 

摘      要：手性与物体的对称性密切相关,通常手性被理解为物体缺乏镜像对称,而非手性意味着存在镜像对称。手性介质广泛地存在于自然界中的各种宏观和微观系统中。圆二色性（Circular Dichroism,CD）通常是指手性介质对左旋圆偏振光（Left-circularly Polarized Light,LCP）和右旋圆偏振光（Right-circularly Polarized Light,RCP）的吸收率的差异。探测微观物质的手性光学响应是确定微观物质微观结构的重要方法。但是自然界中存在的手性介质的光学响应一般比较微弱,且大多位于紫外波段,这极大的限制了检测的灵敏度以及各种实际应用。而金属手性超材料在入射的圆偏振光的激发下,会发生表面电子的振荡,从而将能量局域在一个很小的范围内,大大增强金属手性结构的圆二色性响应。本文在之前已有的研究基础上进一步设计了两种手性超表面:H形金属手性超表面,和悬链线形的金属手性超表面,并研究了它们的圆偏振光的激发下的圆二色性效应和产生圆二色性信号的物理机制。本文的主要研究工作如下:（1）设计了一种双层H形金属结构（Double Twisted H-shaped metal sheets,DTH）模型,通过扭转上层H形金属一定的角度破坏结构的对称性,使其具有手性。利用数值仿真软件CST计算了DTH模型在RCP和LCP的激发下的透射谱和CD谱,研究其在RCP和LCP各自的共振频率处的表面电流分布。结果表明:在RCP和LCP的共振频率处,RCP和LCP在DTH模型的上下金属表面激发的电流分布不同,上下金属表面的等效电偶极子的耦合方式也不同,导致在圆偏振光的共振频率处,RCP和LCP的透射率差异较大,从而产生比较大的CD信号。另外,研究了结构参数对CD信号的影响,通过优化结构参数,可以调整CD信号的位置和大小,在合适的结构参数下,在RCP和LCP的激发下,DTH模型可以产生高达0.6的CD信号。（2）设计了一种悬链线形状的手性超表面（Catenary-shaped Chiral Metasurface,CCMS）。通过旋转上层悬链线形的金属片,破坏结构的对称性,使结构具有手性。同样地,利用数值仿真软件CST计算了该结构在微波段的透射率和圆二色性信号。模拟该模型在圆偏振光的共振频率处的上下表面电流的分布以研究CD信号产生的物理机制。研究表明:在RCP的激发下,在共振频上下层的悬链线形的金属表面的等效电偶极矩耦合形成“成键模式。而在LCP的激发下,上下层的悬链线形的金属表面的等效电偶极矩耦合形成“反键模式。这表明该结构产生圆二色性信号的机理符合Born-Kuhn模型。此外还研究了上下层的悬链线形的金属表面的扭转角度θ,中间介质层的厚度d,以及模型的周期p等结构参数对CD信号的影响。通过优化结构参数,CCMS手性超表面可以产生高达0.68的CD信号。