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基于频率选择表面的人工微结构微波器件研究

基于频率选择表面的人工微结构微波器件研究

作者：王亮合肥工业大学

学位级别：硕士

人工微结构一般是指人工构造的、具有特殊电磁响应的亚波长结构。而频率选择表面通常是指二维周期性阵列结构。目前,研究者将频率选择表面应用于人工微结构以获得优异的器件性能。随着第五代通信技术(5G)的逐渐商业化运营,面向5G频段的... 详细信息

人工微结构一般是指人工构造的、具有特殊电磁响应的亚波长结构。而频率选择表面通常是指二维周期性阵列结构。目前,研究者将频率选择表面应用于人工微结构以获得优异的器件性能。随着第五代通信技术(5G)的逐渐商业化运营,面向5G频段的微波器件需求甚大。其中,基于频率选择表面的微波器件由于其良好的频率选择能力,可作为滤波器、吸波体等应用于滤波、电磁兼容、电磁屏蔽等领域。本论文工作基于频率选择表面的人工微结构,设计出了可应用于5G通信的带阻滤波器、带通滤波器和吸波体,主要研究内容包括:(1)研究了一种基于频率选择表面的人工微结构带阻滤波器,该滤波器可以有效屏蔽5G低频段通信应用中的3.4-3.6 GHz和4.8-4.9 GHz频段,其具有良好的入射角和极化角稳定性。利用频率选择表面的等效电路理论解释了其工作机理,并验证了设计方案的可行性;使用全波模拟仿真方法分析了该器件结构参数对滤波性能的影响;加工制作并测试了实物样品,测试结果与仿真结果吻合良好。(2)提出了一种基于频率选择表面的人工微结构带通滤波器,该器件对5G高频段中37-42.5 GHz的电磁波具有良好的通过性,且具有良好的入射角和极化角稳定性。通过等效电路验证了该设计方案的可行性,并分析了该器件的滤波机理。加工制作并测试了实物样品,实验结果与仿真结果具有良好的一致性。(3)设计了一种基于频率选择表面的人工微结构吸波体。探究了该器件的入射角和极化角稳定性,分析了该器件的吸波机理,加工并测试了实物样品。仿真和实测结果表明,在整个24.25-52.6 GHz,吸收率超过90%,在35 GHz时峰值吸收率达到97%。

关键词：人工微结构频率选择表面滤波器吸波体等效电路

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基于人工微结构的光谱选择性红外热敏探测器

红外与毫米波学报 2023年第5期42卷 594-610页

作者：谈冲孙艳戴宁郝加明中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室上海200083 复旦大学光电研究院上海市智能光电与感知前沿科学研究基地上海200433 中国科学院大学北京100049

红外热敏探测器不管是在军事还是在民用领域都有着非常重要的应用。传统的红外热敏探测器主要采用宽光谱吸收的方式,这虽然赋予了器件宽带响应的特点,但同时也会因为引入了不必要的辐射热导而增加本底噪声,从而限制了器件的探测性能极... 详细信息

红外热敏探测器不管是在军事还是在民用领域都有着非常重要的应用。传统的红外热敏探测器主要采用宽光谱吸收的方式,这虽然赋予了器件宽带响应的特点,但同时也会因为引入了不必要的辐射热导而增加本底噪声,从而限制了器件的探测性能极限。研究表明,具有窄带选择性吸收的热敏探测器在特定的条件下可以突破这一极限。经过精心设计的人工微纳结构不但可以实现波长选择性吸收来降低器件的辐射热导,而且由于其具有亚波长特性,还可以大大降低器件的热容,从而为实现高性能的红外热敏探测器提供了可能性。本文在简单介绍红外探测器基本概念的基础上,聚焦测辐射热计、温差电偶和热释电探测器件,回顾总结基于人工微结构体系的光谱选择性红外热敏探测器的相关研究进展。

关键词：热敏探测器光谱选择性人工微结构超构表面

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基于人工微结构的经典波传输调控研究

基于人工微结构的经典波传输调控研究

作者：殷允桥安徽理工大学

学位级别：硕士

人工微结构阵列又被称为人工电磁介质或者超材料,通常是以结构单元周期性地排列成阵列的形式,是一种亚波长尺度的人造周期性材料。人工微结构阵列具有自然界中一般材料所不具备的电磁特性,如负介电系数、负磁导率、负折射率等,因此人工... 详细信息

人工微结构阵列又被称为人工电磁介质或者超材料,通常是以结构单元周期性地排列成阵列的形式,是一种亚波长尺度的人造周期性材料。人工微结构阵列具有自然界中一般材料所不具备的电磁特性,如负介电系数、负磁导率、负折射率等,因此人工电磁介质中可产生负折射、逆多普勒效应和逆切伦科夫辐射等奇特现象。人工微结构阵列中的微结构单元可等效为自然材料中原子或分子,通过改变其单元结构及排列周期可灵活地调控人工微结构阵列的电磁特性。近年来,已经提出分别具有三维和二维人工微结构的超材料和超表面来实现小型化和集成的波场操纵装置。此外,通过精心设计几何参数和人工微结构的排列,它们可以表现出超越天然材料的新特性,并实现新的应用。本文以人工微结构材料为基础,在光波以及声波等经典波领域设计了多种不同的物理器件,实现了光波的定向散射调控、超构表面磁镜、多波段全向通风声屏障以及宽带隔声的声学元笼,这些对于设计新型的光/声场调控器件具有重要物理的意义。文章具体研究内容如下:一、提出了一种表面粗糙磁镜的概念,该界面由人工表面等离激元结构阵列设计而成。这种人工表面等离激元结构通过周期性地将螺旋金属条插入到介电圆盘构造中以支持强磁偶极共振模式。特别地,对于不同外半径下的螺旋结构,可以通过调节每个结构的螺旋度以支持相同共振频率的磁偶极模式。为此,设计了由多种不同尺寸的人工表面等离激元结构排列构成的粗糙磁镜,计算了其效率并与光滑磁镜做了比较。本文所提出的粗糙磁镜可以用来增强光与复杂结构的物质之间的相互作用,亦可能应用于微波和太赫兹波段的生物传感和成像。二、设计了人工等离子体结构能够通过在人工等离子体结构的空心中插入一个完美电导体(PEC)圆柱体来实现亚波长尺度的定向散射方向的切换。基于模态分析发现,核壳结构的电磁响应不仅被很好地激发,而且由于电偶极共振和磁偶极共振之间的干涉而表现出定向散射。我们还讨论了 PEC圆柱半径对定向散射性能的影响。最后,通过两种状态的切换实现主动可调定向散射。这项工作为电磁波的亚波长操纵提供了一条可行的途径。此外,它提供了一种简单的方法来切换定向散射方向。所提出的设计方法可以很容易地应用于数字电磁波通信和相关应用。三、提出了一种由径向梯度凹槽组成的亚波长闭合表面,用于实现局部声彩虹捕获。与基于平面结构表面的传统彩虹捕获类似,我们证明了彩虹捕获效应也可以通过深亚波长尺度的封闭表面来实现。特别是,封闭表面上的被困空间位置可以通过改变结构参数来自由调整。基于该结构的多波段响应和亚波长维度的优势,我们提出了一种由封闭表面阵列组成的声屏障,以同时实现多波段隔音和高通风。研究结果表明,这种声屏障具有亚波长尺度、多波段、全向响应来阻挡入射声波的特点,而且通风性好。最后,我们讨论了通道宽度对传输损耗谱幅度和带宽的影响。实验结果与我们的理论预测一致,即材料损失可以拓宽响应带宽,形成宽带隔声。由局部彩虹捕获结构组成的声屏障可能在需要透气和隔音的基础设施中具有许多应用。四、设计了一个由亚波长尺度径向梯度凹槽组成的封闭表面。然后,我们从理论上和实验上研究了一种由圆形封闭表面组成的声学元笼,能够同时实现多频带隔音和高通风。作为一个实用的例子,我们使用三维打印机制造了一个由十个局部结构组成的圆形元笼,并通过实验证明,无论声源是否从元笼内部或外部被激发,该元笼都能够在宽带范围内以高通风有效地阻挡声音。最后,我们讨论了在任意几何形状的情况下所提出的元笼性能的影响。提出的声学元笼可以为具有高通风和相关应用的宽带隔音开辟一条途径。

关键词：人工微结构深度亚波长人工表面等离激元超表面磁镜定向散射彩虹捕获声学屏障声学元笼

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基于声学人工微结构的新型拓扑材料研究

基于声学人工微结构的新型拓扑材料研究

作者：胡平安徽理工大学

学位级别：硕士

凝聚态物理中一个最主要的方向就是发现并研究新的物相,将拓扑的概念引入物理学,这为拓扑相的发现起了决定性作用,在凝聚态物理中受到广泛关注。拓扑物理的研究也拓展到声学系统中,并逐步发展为最热门的研究领域之一。本文以声学为研究... 详细信息

凝聚态物理中一个最主要的方向就是发现并研究新的物相,将拓扑的概念引入物理学,这为拓扑相的发现起了决定性作用,在凝聚态物理中受到广泛关注。拓扑物理的研究也拓展到声学系统中,并逐步发展为最热门的研究领域之一。本文以声学为研究背景,通过将拓扑的概念引入到声学波导体系和声学局域结构中,实现了声学拓扑π模式、声学非绝热拓扑泵浦以及声学局域结构斯格明子的实现,在不同的声学结构通过模拟和实验等验证了拓扑性,进一步加深对声波任意操控的理解。本文的具体研究内容如下:一、通过调节波导之间的耦合强度以及调整波导的弯曲周期,在离散波导阵列中实现拓扑π模式,声波沿波导边缘进行周期性的传输,并且将其与平庸波导结构下进行了对比,验证了波导阵列的拓扑性质,为后续研究提供了很好的平台。二、在离散波导模型中,提出了一种拓扑保护的泵浦结构,将拓扑泵浦运用到声学中,声学中目前对泵浦的研究都是在绝热的条件下,这种结构是非常不稳定的。在此,我们设计了一种结构稳定且非绝热的拓扑泵浦结构,演示了在物理时间(t)和传播坐标(z)中传播声脉冲信号的动态拓扑泵浦。连续和脉冲声波的拓扑泵浦传输证明了所设计波导阵列在动态信号传输和波操纵方面的实用性。三、在实空间中设计了一种亚波长尺度下螺旋结构,实现在声学系统下的斯格明子模式,分析超结构的共振响应并观察了其速度场的空间分布,并通过模拟验证了亚波长结构支持的拓扑保护斯格明子模式对结构缺陷具有鲁棒性,所设计的实空间声学斯格明子拓扑结构可能为设计超紧凑的声学器件来操纵声波开辟了新的途径。

关键词：拓扑声学人工微结构波导阵列局域结构

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人工微结构光场调控的研究进展

中国科学基金 2018年第5期32卷 491-503页

作者：李占成刘兆庆程化田建国陈树琪南开大学物理科学学院天津300071 国家自然科学基金委员会科学传播中心北京100085 山西大学极端光学协同创新中心太原030006

人工微结构是增强光与物质相互作用的重要物理体系之一,为光物理与光子学技术的发展提供了全新的机遇和广阔的前景。利用人工微结构实现光场多维度精确调控及其与物质相互作用研究是物理科学研究的前沿,也是未来多学科跨越式发展的重要... 详细信息

人工微结构是增强光与物质相互作用的重要物理体系之一,为光物理与光子学技术的发展提供了全新的机遇和广阔的前景。利用人工微结构实现光场多维度精确调控及其与物质相互作用研究是物理科学研究的前沿,也是未来多学科跨越式发展的重要基础。本文系统介绍了我们在人工微结构光场偏振态、相位、振幅和多维度联合调控方面取得的最新研究进展,展示了人工微结构在光场调控研究领域巨大的研究潜力和广阔的应用前景。

关键词：人工微结构光场调控光学集成光场调控新方法

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人工微结构的电磁传播性质

人工微结构的电磁传播性质

作者：王赛赛苏州大学

学位级别：硕士

通过设计亚波长的人工微结构,实现具有奇异特性的人工材料,如负折射材料,零折射材料,梯度材料等,在最近十几年,成为一个热门的研究课题。其中,零折射率材料、超表面以及双各向异性材料,是人工微结构研究的三个重要分支,而且在生产生活中... 详细信息

通过设计亚波长的人工微结构,实现具有奇异特性的人工材料,如负折射材料,零折射材料,梯度材料等,在最近十几年,成为一个热门的研究课题。其中,零折射率材料、超表面以及双各向异性材料,是人工微结构研究的三个重要分支,而且在生产生活中,有广泛的潜在应用。本文在简要回顾人工微结构研究进展的基础上,就这三个分支展开讨论,并进一步深入地研究。文章首先研究了,完美电导体（PEC）缺陷对零折射率材料传输特性的影响。我们利用具有狄拉克色散的介质光子晶体来实现双零折射率材料。我们发现,PEC的尺寸和大小均能影响这种零折射率材料的透射率,因此,我们对于利用缺陷对零折射率材料传输性质的调控提出了一些新的方法。其次,基于对双各向异性材料的研究,我们发展了一套实验测量方法,通过测量所有散射矩阵参数（S参数）,来得出双各向异性材料所具备的多重电磁量。基于此种测量方法,我们还设计出一种“卍”字型双各向异性微结构单元,通过对“卍”字型结构,电流分布的模拟结果的分析,讨论了其内在电磁耦合的物理机制。最后,我们设计了一种超表面,这种超表面具有不依赖于入射波偏振的反射聚焦功能。利用微波实验,我们很好的验证了此聚焦效应。这些工作,使人工微结构无论在物理机制上还是在生产生活中的应用都得到了进一步探索。

关键词：人工微结构零折射率材料双各向异性材料超表面

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人工微结构调控下的界面热声子输运研究

人工微结构调控下的界面热声子输运研究

作者：潘佳慧南京大学

学位级别：硕士

界面热输运是微纳电子学、能量转换与存储等领域的关键问题,深入探索界面热输运机制、实现对界面热输运性质的调控是当前微纳尺度传热研究的重要内容,在改善微电子器件热管理、提高热电器件能量转换效率等方面具有重要作用。本文基于人... 详细信息

界面热输运是微纳电子学、能量转换与存储等领域的关键问题,深入探索界面热输运机制、实现对界面热输运性质的调控是当前微纳尺度传热研究的重要内容,在改善微电子器件热管理、提高热电器件能量转换效率等方面具有重要作用。本文基于人工微结构调控的思想,选取了硒化锡体块、铝/砷化铒/砷化镓异质结以及金属/碲化锑多层膜三个材料体系,构造了多种界面微结构,采用时域热反射谱方法测量了体系的界面热输运性质,并深入探究了界面微结构对热声子输运的调控作用和机理。主要研究成果如下:一、利用材料本征声子特性的差异,构造原子级界面,实现了对热声子输运的有效调控。实验采用布里奇曼法在硒化锡体块中引入了二硒化锡原子级插层,将硒化锡晶体的层间热导率从0.77 W/m/K降低至0.45 W/m/K。拉曼光谱分析结果显示,硒化锡与二硒化锡的光学声子特性差异巨大。因此,界面微结构的引入导致了界面处的光学声子失配,增强了界面处的声子散射,显著降低了体系的热导率。二、通过构造不同形貌及厚度的界面,实现了声子热输运机制的调控。实验利用分子束外延技术制备了一系列铝/砷化铒/砷化镓异质结样品,通过调整砷化铒的厚度,构造了不同的界面微结构。实验观察到界面上的热输运机制随着界面微结构的变化从声子散射转变为弹道输运,再进一步转变为扩散输运。定量分析结果进一步证实了声子由弹道输运向扩散输运转变的界面临界厚度约为7 nm。三、通过改变材料种类、界面密度和温度,实现了对金属/半导体多层界面体系界面热输运的调控。实验采用磁控溅射方法制备了一系列不同周期厚度的（铂,金,银）/碲化锑多层膜样品,测量并分析了垂直于界面方向上的热导率。研究结果显示,界面密度越大,对声子的散射越强烈,体系总热导率越低。本文在声子-声子耦合的基础上引入了电声子耦合机制,发现金属的电声子耦合系数是影响热输运的重要因素,铂的电声子耦合系数远大于金和银,因此铂/碲化锑样品的总热导率也远高于金/碲化锑和银/碲化锑。综合以上三个材料体系的热输运研究,本文发现界面微结构对热声子输运的调控存在一些共同特征。界面微结构可以引入新的声子热输运机制,与体系本征声子热输运机制为协同或竞争关系。改变界面微结构的特征参数可以有效地对声子输运行为进行调控,实现不同热输运机制的主导、转变或协同作用,从而影响材料体系的宏观界面热输运性质。以上研究成果为理解界面热输运机制提供了新的视角,为界面热输运的调控提供了新的思路,有助于界面热输运理论体系的丰富和完善,也有利于推动热界面材料和热电材料在微纳器件中的实际应用。

关键词：界面热输运人工微结构声子调控热导率时域热反射谱

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人工微结构的光吸收效应研究

人工微结构的光吸收效应研究

作者：付峻齐阜阳师范大学

学位级别：硕士

随着科技社会的发展,能源枯竭问题以及环境污染问题成为困扰人类发展的两大问题。光具有可持续性和低污染性的特征,使得人们将目光转向光能源。如何检测和收集光,成为了利用光的首要前提。传统的光探测以及光吸收器件受限于材料自身的性... 详细信息

随着科技社会的发展,能源枯竭问题以及环境污染问题成为困扰人类发展的两大问题。光具有可持续性和低污染性的特征,使得人们将目光转向光能源。如何检测和收集光,成为了利用光的首要前提。传统的光探测以及光吸收器件受限于材料自身的性质,对材料的光学参数以及几何参数都有严格要求,这限制了光探测以及光吸收研究的进一步发展。能够实现亚波长尺寸以及宽角度吸收等优势的人工微结构材料为光探测以及光吸收提供了新的发展方向。借助于人工微结构的超材料,人们目前能够设计出吸收效率很好的光吸收器。其中,在光电子器件方面,一般采用宽带光吸收器来吸收光,而窄带吸收器一般用来作为探测某些光的探测手段,这些对于光吸收和利用都是极其重要的。本文工作由上述需求出发,利用有限元(FEM)仿真软件,设计了两款光吸收器,分别如下:(1)基于传统贵金属的窄带光吸收器研究该部分工作中,我们设计了基于传统材料贵金属银以及二氧化硅的三明治结构窄带光吸收器,其最大吸收效率达到95%以上,半高宽为5nm。在该部分工作中,借助电场的分布,探究了窄带吸收的物理机制,分析了不同参数对吸收效率的影。该吸收器结构简单,并且具有高度对称性,因此其对光波偏振方式不敏感,在光探测等方面拥有很好地应用潜力。(2)基于石墨烯的宽带光吸收器研究该项工作中,我们设计了基于二维材料石墨烯以及传统贵金属材料银以及二氧化硅的类三明治结构的宽带光吸收器,其可覆盖可见光波段,最大吸收效率达到99%。与窄带光吸收器相同,我们同样探究了该吸收器吸收光的物理机制以及参数对其吸收性能的影响。由于该吸收器覆盖可见光波段,因此,在可见光的吸收和利用等方面拥有不错的潜力。通过借助有限元(FEM)法,实现了对两种光吸收器的建模并进行了数值分析,并且通过分析其电场分布分析了这两个吸收器的工作原理;此外,探究了可能影响吸收效果的各类参数。超窄带吸收器实现了在可见光范围内对于光的窄带吸收,使其具备在光探测器方面应用的潜力;基于石墨烯的宽带光吸收器实现了在可见光范围内对光实现完美吸收(可见光范围内吸收率达80%以上)的设计目标,这进一步加大了其在可见光范围内的吸收和利用方面的潜力。

关键词：人工微结构电磁波石墨烯窄带光吸收器宽带光吸收器

人工微结构薄层红外探测器的研究进展(特邀)

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红外与激光工程 2021年第1期50卷 8-15页

作者：杜佳远赵锌宇胡新华复旦大学材料科学系微纳光子结构教育部重点实验室上海200433

薄层的红外探测材料虽然能够保持很好的均匀性,减少了红外探测时的噪音,但由于薄层红外探测材料体积偏小,限制了红外探测器的吸收。针对不同红外探测材料的特点,利用人工微结构能够有效地改善红外探测器的性能。文中介绍了增强薄层红外... 详细信息

薄层的红外探测材料虽然能够保持很好的均匀性,减少了红外探测时的噪音,但由于薄层红外探测材料体积偏小,限制了红外探测器的吸收。针对不同红外探测材料的特点,利用人工微结构能够有效地改善红外探测器的性能。文中介绍了增强薄层红外探测材料吸收的策略,分别是使用金属背板、金属光栅结构和非对称F-P型金属腔体结构,它们在各自适应的场景下都能取得不错的效果。同时也简略地介绍了人工微结构调控吸收峰高和峰宽的机理。并且展示了人工微结构在几种红外探测器件上的应用。最后,提出了一种人工微结构碲镉汞红外探测器的设计,实现了在3.5~5.5μm大气窗口内的宽频吸收,其中吸收峰的高度为91.8%,吸收峰的相对宽度为41.8%,在大气窗口内的大部分频率,增强系数均大于6。人工微结构的发展开拓了传统红外器件的设计思路,为新型的红外器件提供了理论依据和指导。

关键词：人工微结构超材料红外探测器

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