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全介质超表面反常折射效应的研究

全介质超表面反常折射效应的研究

作者：杨柳北京邮电大学

学位级别：硕士

现代光学的研究与应用中,超表面由于其超薄的结构和对电磁场精确调控的能力越来越受到研究者的关注。超表面是一种特殊的超薄人工电磁超材料,可在亚波长尺度下实现对电磁波的相位、极化方式、传播模式等特性灵活有效地调控,进而实现聚... 详细信息

现代光学的研究与应用中,超表面由于其超薄的结构和对电磁场精确调控的能力越来越受到研究者的关注。超表面是一种特殊的超薄人工电磁超材料,可在亚波长尺度下实现对电磁波的相位、极化方式、传播模式等特性灵活有效地调控,进而实现聚焦成像、反常偏折、完美吸收和极化旋转等功能。相比于传统的“体超材料”,超表面具有体积小、厚度薄、易于制备和集成等显著优势,同时,其对于光的灵活、精准的控制也更胜一筹。广义斯涅尔定律表明,水平方向的线性相位梯度将导致光的反常偏折。根据这一理论,经典离散天线阵列构成的相位梯度超表面被广泛研究,已成功应用于超透镜、超全息、光学涡旋、偏振转换器等诸多领域。但是离散型天线阵列结构却存在着制备难度较大、结构容错度较低的缺陷。近几年提出的准连续型相位梯度超表面则由周期性排列的梯形介质片或金属片构成,有效地降低了制备难度,全介质材料的准连续型相位梯度超表面更有低损耗、高效率、易于制备、制备成本低等显著优势。本论文以设计分析一种经典离散天线阵列超表面为基础,进一步设计了一种新型的工作在可见光波段、透射型全介质准连续相位梯度超表面,并对该超表面的反常透射性能、物理机制、制备可行性等进行了全面深入的分析。主要研究内容如下:1、仿真设计了基于离散长方体柱状天线阵列的全介质相位梯度超表面,得到了完整的2π相移和较高的透射率,为设计准连续的相位梯度超表面奠定基础。另外,分析了在长方体柱型天线截面边长变化过程中透射曲线凹点处,天线的磁场分布,利用法布里-柏罗共振腔来分析相位梯度产生的物理机制。2、通过两种“拼接方式”实现离散纳米天线阵列到准连续梯形天线阵列的转化,首次提出一种工作在透射模式的准连续全介质相位梯度超表面,验证了广义斯涅尔定律。仿真发现在波长751nm垂直入射的线极化平面光照射下,当线极化光的极化方向垂直于超表面相位梯度方向时,出现了29.62°的反常透射角,且总透射率高达88%,反常透射部分效率高达80.4%,说明该结构具备高效反常透射性能。进一步分析了该超表面损耗发生的原因、在近红外波段的性能变化、设计更大反常透射角情况下效率变化、介质片厚度对超表面透射效率的影响等关键性能,还分析了超表面的制备误差容忍度、实际可行的制备流程,以证实该相位梯度超表面充分具备实际制备的可行性。该结构相比离散纳米天线阵列超表面结构简单得多,为设计高效的全介质相位梯度超表面并将其应用于高度集成的波前控制光器件奠定了基础。综上所述,本论文将以设计分析一种经典离散纳米天线阵列超表面为基础,设计一种全新的全介质准连续相位梯度超表面,并深入研究其特性和物理机制。

关键词：超表面相位梯度反常折射集成光器件

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基于太赫兹超表面的波前操控器件设计与研究

基于太赫兹超表面的波前操控器件设计与研究

作者：樊俊鹏武汉科技大学

学位级别：硕士

随着5G技术的普及,拓展通信频带已成为发展通信技术的趋势,对太赫兹技术的挖掘是拓展通信频带的有效手段。超表面作为一种由亚波长谐振单元构成的人工复合型结构,在对太赫兹波操控方面具有巨大的优势。本文基于传输相位理论和几何相位理... 详细信息

随着5G技术的普及,拓展通信频带已成为发展通信技术的趋势,对太赫兹技术的挖掘是拓展通信频带的有效手段。超表面作为一种由亚波长谐振单元构成的人工复合型结构,在对太赫兹波操控方面具有巨大的优势。本文基于传输相位理论和几何相位理论,提出并研究了两种超表面单元结构对太赫兹波的响应,设计出多种平面结构的太赫兹波前操控器件。本文主要的研究内容和创新点如下:（1）基于传输相位理论,设计了一种高效宽频带的透射型超表面。建立了法布里-珀罗干涉模型,对其进行理论验证。通过构建合适的相位梯度,在0.4-1.0THz上实现了异常折射和涡旋波束产生,并且在0.8THz处构建了两种聚焦透镜。仿真结果（异常折射角、焦距等）与理论值较吻合。（2）基于几何相位理论,设计了一种高效的全空间超表面。入射的圆极化波被超表面转化为正交极化波,并在0.6THz透射,在1.67 THz反射。两种工作模式下的相位梯度可以独立地控制。引入表面电流分布探究了其独立工作的物理机制。在一维方向上合适地排列单元结构,实现了异常折射/反射、全空间透镜。最后,我们设计了全空间涡旋波束产生器,两种工作模式下产生的一阶轨道角动量纯度达到0.692和0.659,远高于次模的权值。以上工作为设计高效、宽频带的太赫兹波前操控器件提供了有效的方法,并且促进了多功能太赫兹器件的小型化、集成化。我们设计的器件在太赫兹成像、通信、雷达等方面有巨大的潜在应用。

关键词：太赫兹超表面相位梯度传输相位几何相位

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新型超表面圆偏振转换器和分束器设计

新型超表面圆偏振转换器和分束器设计

作者：何全南京理工大学

学位级别：硕士

近些年来,在光学系统中实现对光束新颖和灵活的调控成为了研究者们不断追求的目标,如光的偏振调控和分束控制等。但是传统的光学元器件大都由自然中存在的材料所制造,它们对光特性的调控能力有限,或者需要复杂的光学组件来实现。为了寻... 详细信息

近些年来,在光学系统中实现对光束新颖和灵活的调控成为了研究者们不断追求的目标,如光的偏振调控和分束控制等。但是传统的光学元器件大都由自然中存在的材料所制造,它们对光特性的调控能力有限,或者需要复杂的光学组件来实现。为了寻找简单有效的实现方案,本文将超表面与圆偏振调控和分束相结合,利用超表面对光的振幅、相位和偏振灵活的调控能力,设计了多个超表面来实现对入射光具有新颖调控功能的圆偏振器件和分束器件。通过仿真计算,验证了所设计超表面设计的可行性和功能的可靠性,为实现基于超表面的新型光学器件提供了一种简易化、高性能、平面化的设计方案。本文主要是基于时域有限差分(finite-difference time-domain,FDTD)方法,利用开口金环设计具有各向异性的少层超表面来对圆偏振光的偏振态进行调控,实现了非对称的圆偏振转换器和圆偏振器;以及通过改变介质纳米柱的尺寸半径达到改变相位延迟的目的,以此实现基于相位梯度超表面的分束器。首先,我们构建了基于开口金环的三层超表面,通过旋转中间层开口圆环的角度来引入各向异性,从而实现了在两个相邻的波段下圆偏振光的偏振转换和非对称传输。我们用多次透反射的理论模型来验证仿真结果,进一步通过电流特性来分析圆偏振转换之间的关系,并计算偏振转换比(polarization conversion ratio,PCR)和椭圆度来评价其圆偏振转换性能。此外还探究了包裹三层金开口环的介质的折射率与工作波长之间的关系,以及结构尺寸对转换效率的影响。其次,我们设计了一种基于相位梯度超表面的分束器。先通过用仿真软件测得不同半径纳米圆柱下的相位,并依据广义斯涅尔定律设计不同的相位梯度,以实现不同的分束角;再通过引入相位缓冲区改变折射光的透射率,设计不同面积的相位缓冲区以实现不同的分束比。根据分束角和分束比是否相同设计了四种不同功能的分束器,其结果验证了我们设计方法的可行性。并用不同的偏振光在宽波段下验证了设计的分束器具有宽带特性和偏振不敏感特性。本论文的工作将传统的光学器件与超表面相结合,充分体现了超表面体积小、易于集成的优势,并且超表面高效灵活的调控能力赋予了传统器件所不具有的功能。本论文的研究在光通信、光学传感、微型干涉仪等众多领域都有潜在贡献。

关键词：超表面非对称传输圆偏振转换器分束器相位梯度

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InSAR双轨差分法原理及应用

吉林大学学报（工学版） 2013年第S1期43卷 92-95页

作者：钱方明刘薇黄艳西安测绘研究所三室西安710054 地理信息工程国家重点实验室西安710054

提出了一种利用解缠后的相位信息或相位梯度信息确定形变区域的InSAR形变检测新方法——双轨差分法,阐述了检测原理,设计了检测流程。实验结果表明,双轨差分法能检测形变区域。经比较分析得出,利用解缠后的相位信息能确定形变区域位置... 详细信息

提出了一种利用解缠后的相位信息或相位梯度信息确定形变区域的InSAR形变检测新方法——双轨差分法,阐述了检测原理,设计了检测流程。实验结果表明,双轨差分法能检测形变区域。经比较分析得出,利用解缠后的相位信息能确定形变区域位置和形变量,检测灵敏度较低;利用相位梯度信息仅能确定形变区域位置,检测灵敏度较高。

关键词：干涉合成孔径雷达差分形变检测相位解缠相位梯度

基于涡流传感器系统的常压容器底面缺陷检测研究

维普期刊数据库

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基于涡流传感器系统的常压容器底面缺陷检测研究

作者：高鹏程天津工业大学

学位级别：硕士

常压容器作为化工产品生产、存储及运输的常用设备,具有广泛的应用需求。危化产品常压容器罐底经长期使用后极易出现腐蚀减薄、电化学腐蚀等结构性缺陷,极大增加了化工产业的事故风险。因此对化工常压容器罐底的全面缺陷检测意义重大。... 详细信息

常压容器作为化工产品生产、存储及运输的常用设备,具有广泛的应用需求。危化产品常压容器罐底经长期使用后极易出现腐蚀减薄、电化学腐蚀等结构性缺陷,极大增加了化工产业的事故风险。因此对化工常压容器罐底的全面缺陷检测意义重大。涡流检测是一种非接触性、无辐射性、不需要耦合剂且检测成本低、速度快的检测技术。本文根据常压容器底面缺陷的检测需求,利用涡流检测技术对其进行了深入研究。利用双空气芯线圈作为涡流传感器,检测多频正弦激励下常压容器底面涡流感应信号,选定相位梯度作为检测信号的特征量,并在二维空间对该特征量进行计算,对影响涡流检测的多个参数进行有限元仿真分析。在此基础上,设计了一套便携式实验设备,实现了基于涡流检测的常压容器罐底面缺陷检测系统。并基于相位梯度特征量提出了一种二维平面扫描的检测方法,对铝板样件、钢板样件和常压容器底面样件进行涡流检测及缺陷识别研究。研究表明,将相位梯度作为检测信号的特征量,通过涡流传感器系统对常压容器底面进行二维平面扫描检测,可在有效抑制提离噪声的前提下准确识别出常压容器底面样件的裂纹缺陷,相位梯度图的可视化检测效果明显。

关键词：涡流检测常压容器相位梯度缺陷识别平面扫描

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基于光纤集成超表面结构光场特性分析

基于光纤集成超表面结构光场特性分析

作者：兰子啸哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

超表面作为一种二维且性能易控的电磁材料,可以与入射电磁波的电或磁分量共振耦合,表现出自然界中未被发现的特性。但当前多数超表面光学器件存在空间对准困难,不能在线调控等缺点,不利于光子集成技术的发展。近年来,光纤在线实验室（La... 详细信息

超表面作为一种二维且性能易控的电磁材料,可以与入射电磁波的电或磁分量共振耦合,表现出自然界中未被发现的特性。但当前多数超表面光学器件存在空间对准困难,不能在线调控等缺点,不利于光子集成技术的发展。近年来,光纤在线实验室（Lab on fiber）的出现,为器件的集成化与小型化提供了强有力的平台。研究者们主要是将光电功能材料、多功能微纳器件等集成到光纤内部、光纤侧面或者光纤端面,这一技术对器件集成、生物传感、信息处理、环境监测等领域产生了重要的影响。本论文在光纤端面上集成全介质相位梯度超表面,实现了高效光束偏转,且偏转角度与理论值高度吻合。将超表面的光处理功能集成到光纤技术中,可以进一步丰富新兴的“光纤实验室”框架,为光学超表面在通信、信号处理、成像和传感的实际应用中起到重要作用。本文围绕电磁波的两个最基本参量——振幅和位相,开展了基于光纤集成超表面的透射振幅和相位研究,提升器件的工作效率与带宽,主要研究工作包括以下几点:1.基于几何相位超表面原理,设计了一种矩形硅纳米结构,通过旋转纳米单元结构的角度,构建不同单元数量的相位梯度超表面,分析阵列周期对异常透射效率以及偏转角度的影响。在1.3μm时,周期结构实现了接近90%的异常透射效率,偏转角度与理论值一致,并且光纤集成该几何相位超表面实现了最高84%的透射效率,在较宽频段上实现了50%以上的透射效率。2.基于传输相位原理,设计了两种全介质阵列,通过改变结构的几何参数来实现电磁共振响应,进而实现全相位控制。对于十字形结构,打破了十字形结构的周期性,改变结构之间的间距,提高其异常透射效率。对于圆柱形结构,基于Mie共振原理分析其电和磁偶极子模式之间的作用以及周期阵列中相邻纳米结构的近场耦合作用,研究了单元结构数量对异常透射效率以及偏转角度的影响,并将其集成在光纤端面,实现了最高71%的效率。

关键词：超表面相位梯度全介质光纤异常透射

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战场声目标定位方法研究

战场声目标定位方法研究

作者：孙秋睿哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

在陆地战场上,被动声学定位设备能够探测到雷达、激光设备的盲区,同时兼顾隐蔽性和可靠性。小体积高精度声学定位设备是目前空气声学应用研究的热门。传统的陆地声学传感器一般具有较大的体积,机动性不佳,或者探测精度不高。鉴于此,本... 详细信息

在陆地战场上,被动声学定位设备能够探测到雷达、激光设备的盲区,同时兼顾隐蔽性和可靠性。小体积高精度声学定位设备是目前空气声学应用研究的热门。传统的陆地声学传感器一般具有较大的体积,机动性不佳,或者探测精度不高。鉴于此,本文从小孔径声学阵列和单基元传感器入手,根据信号特征研究了方位估计方法,分别建立了目标定位系统。具体工作如下:首先介绍了声在空气中的传播特点,分析了陆地战场中常见声学目标的噪声及其信号的特征,为后续定位算法的研究提供了基础。研究了基于小孔径阵列的相位差与相位梯度算法和压差式算法,针对三种不同的算法分别给出了数学模型,同时也推导了三维空间内的求角公式。针对上述算法进行了性能仿真,并根据原理进行了误差分析。随后利用小孔径阵列组成双基阵静态目标定位系统,分别使用三角交汇法和数据融合法进行定位,并进行了仿真分析,以验证算法的精确度。针对移动过程中可检测到完整多普勒效应的声学目标,研究了单基元多普勒匹配投影法,利用调制后的多普勒信号,在自变量张成的子空间内搜索最大投影值,得到声源的距离与运动速度。将此算法与单矢量传感器的声强法相结合,即可得到目标的运动轨迹。最后通过试验数据处理验证了上述算法在实际应用中的可靠性。研究表明,基于小孔径阵列的方位估计方法,在时域信噪比0dB以上时能够达到十分精确的效果,解决了常规的波束形成算法阵型占用空间大与计算量大的问题。由多个小孔径阵列组成的静态目标定位系统,可以准确估计点声源的位置。基于多普勒频率的单基元定位算法在满足模型的条件下能够对移动目标进行非常精确的估计。

关键词：小孔径阵列相位差相位梯度双基阵定位多普勒目标定位

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阵列式涡流相位传感器及其成像方法研究

阵列式涡流相位传感器及其成像方法研究

作者：叶松天津工业大学

学位级别：硕士

在众多的无损检测技术中,涡流检测技术以其检测速度快、结果精度高、无需接触等优势广泛应用于电力、石化、航空航天、制造及其他多个行业。传统的涡流检测方法主要通过检测线圈的阻抗变化情况来获取受检工件的近表面缺陷信息,其对内部... 详细信息

在众多的无损检测技术中,涡流检测技术以其检测速度快、结果精度高、无需接触等优势广泛应用于电力、石化、航空航天、制造及其他多个行业。传统的涡流检测方法主要通过检测线圈的阻抗变化情况来获取受检工件的近表面缺陷信息,其对内部及下表面缺陷检测效果较差,检测结果不直观,且线圈阻抗容易受到提离噪声的干扰,因此很难对不同类型缺陷进行准确的识别分类。针对上述存在的问题,本文对阵列式相位传感器及其相应成像方法展开一系列的研究。首先选定电涡流相位梯度作为检测信号特征量,将双空气芯线圈作为相位传感器,并对其几何参数、激励模式进行有限元分析,基于分析结果建立测量电涡流相位梯度的检测方法模型,并对该方法检测效果进行仿真研究。设计扫频涡流检测实验系统,该系统采用正弦电流激励,对受检工件进行扫描检测,利用数字相敏解调技术实时提取检测信号相位梯度并得到可视化检测结果。利用该系统对铝板进行涡流检测实验,改变提离高度以及缺陷类型,对相位梯度测量方法的检测效果进行分析总结。研究结果表明,将相位梯度作为检测信号特征量,利用双空气芯线圈传感器对导电材料进行扫频涡流检测的方法能够有效抑制提离噪声,对不同类型缺陷进行准确的识别分类,同时得到较好的可视化检测结果。

关键词：涡流检测仿真分析相位梯度可视化缺陷分类

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一种太赫兹极化扭转异常折射超表面设计

一种太赫兹极化扭转异常折射超表面设计