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双频太赫兹圆极化吸波与异常反射手性超表面

电子学报 2023年第10期51卷 2690-2699页

作者：张航董琳汤鹏程张庆乐孙厚军司黎明北京理工大学集成电路与电子学院北京100081 毫米波与太赫兹技术北京市重点实验室北京100081 北京理工大学长三角研究院浙江嘉兴314019 香港城市大学太赫兹及毫米波国家重点实验室中国香港999077

本文提出了一种工作在太赫兹频段的双频圆极化手性吸波和异常反射手性超表面,通过合理组合两种手性结构,实现在两个频段相互独立的圆极化手性吸收和异常角度的圆极化转换功能.该双频太赫兹手性超表面在2.53 THz处对左旋圆极化波的吸收率... 详细信息

本文提出了一种工作在太赫兹频段的双频圆极化手性吸波和异常反射手性超表面,通过合理组合两种手性结构,实现在两个频段相互独立的圆极化手性吸收和异常角度的圆极化转换功能.该双频太赫兹手性超表面在2.53 THz处对左旋圆极化波的吸收率为96.3%,对右旋圆极化波实现同极化的反射;在3.43 THz处对右旋圆极化波的吸收率为90.9%,而对左旋圆极化波表现为同极化反射功能.本文进一步通过连续旋转单元图案引入几何相位,实现了2π反射相位全覆盖.组阵后的手性超表面在两个工作频点各自吸收特定旋向的圆极化波,而对正交极化的圆极化波分别发生约±20°的保手性异常反射.这种基于手性超表面的双频太赫兹多功能器件有望应用于电磁能量收集、极化转换器、手性传感等领域.

关键词：太赫兹手性超表面圆二色性超材料吸波器异常反射

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基于深度学习的手性超表面结构设计研究

基于深度学习的手性超表面结构设计研究

作者：盛文海南大学

学位级别：硕士

超表面材料是一种特殊的人造层状结构,其厚度比波长要薄。它能够有效地调节电磁波的极化方法、振幅、相位、偏振和传递模型,从而达到对电磁性波的精确控制。而手性材料普遍存在于自然界中,如多种氨基酸及蛋白质等,具有材料构型不能与其... 详细信息

超表面材料是一种特殊的人造层状结构,其厚度比波长要薄。它能够有效地调节电磁波的极化方法、振幅、相位、偏振和传递模型,从而达到对电磁性波的精确控制。而手性材料普遍存在于自然界中,如多种氨基酸及蛋白质等,具有材料构型不能与其镜像对映体重合的特性。在具有手性的材料中,存在着线偏振光的非对称传输效应,可以有效地提升光学器件的性能,对偏振进行调控。除此之外,还可以同时减少器件的体积。然而,由于传统的设计方法,如FEM和FDTD,使得手性超表面的设计过程非常繁琐,耗时也较长。本文旨在通过训练一个深度学习神经网络,并利用该网络进行用于偏振调控的手性超表面的设计,提高设计的效率。在手性超表面的选择上,选择了一种双层连续U形结构。在深度学习神经网络上,选择了生成对抗网络。向网络输入2.5THz～3.5THz上代表偏振调控能力的51个非对称传输系数,网络能够输出其对应的三个结构参数。本文在完成网络的设计训练之后,针对网络的性能进行了测试,对双层连续U形结构进行反向设计。选择了基底厚度,单元结构中的直线部分长度,与单元的周期长作为网络的输出。2.5THz～3.5THz的51个非对称传输系数作为网络的输入。结果表明将输出的三个结构参数用于仿真后,生成的非对称传输系数曲线图能很好地拟合其对应的真实样本的曲线图,降低了对设计者的专业能力需求,绕过了大量的计算过程,对更加高效,高质量地设计用于偏振调控的手性超表面提供了帮助。

关键词：深度学习手性超表面偏振调控生成对抗网络

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太赫兹手性超表面耦合理论及功能器件的研究

太赫兹手性超表面耦合理论及功能器件的研究

作者：陈玉婷桂林电子科技大学

学位级别：硕士

手性在自然界中普遍存在,通常表现为其结构不能通过平移或旋转与其镜像重合,在分子生物学、医学和生物科学中具有重要研究价值。然而天然的材料其光学手性极弱,因此需要很大尺寸的材料去增强手性,才能制成可用的光学器件,这大大限制了... 详细信息

手性在自然界中普遍存在,通常表现为其结构不能通过平移或旋转与其镜像重合,在分子生物学、医学和生物科学中具有重要研究价值。然而天然的材料其光学手性极弱,因此需要很大尺寸的材料去增强手性,才能制成可用的光学器件,这大大限制了手性光学器件的应用和发展。超表面是一种由人工设计,具有亚波长的周期性微结构,它具备天然材料所不具有的特殊性能。近年来,手性超表面得到快速发展,因其具有比天然手性材料更小的体积和更大一个甚至几个数量级的手性响应的优势,并且它还可以产生其他光学特性响应,如负折射率。此外,通过将不对称因素引入几何结构就可以获得手性光学响应,这大大降低了产生手性的难度。然而平面手性超表面还存在手性弱的限制,于是为了得到更大的手性响应,研究人员通常通过优化超表面的结构来增强手性。而本文则通过研究平面手性超表面,揭示耦合强度与手性的关系,希望根据其原理来提高手性响应。另外,在上述手性超材料的研究基础上,本文通过理论设计和结构优化,设计了一种可调谐双层手性超表面,此器件的性能有着显著提升。本文具体的研究内容如下:1、利用简单的单层超表面结构,结合仿真和实验,通过移动两个谐振器(金属棒(wire)和开口谐振环(SRR))的相对位置,观察到圆交叉极化透射谱和圆转换二色性(CCD)的不对称传输现象(AT),以及手性的显著变化。同时,结合耦合模理论(CMT),揭示了超表面的手性与内在结构间耦合存在高度关联性。并利用两个谐振器在不同相对位置时的耦合系数之差与CCD之间的强相关性,进一步证明了耦合是影响手性的主要因素。2、设计了基于柔性材料PDMS的双层四重旋转对称性(C4)J型手性超表面结构。由柔性材料制成的超表面具有很好的延展性,能通过对其拉伸和弯曲实现对超表面电磁响应的动态调控。本文设计了J型手性超表面,模拟了该结构在不同拉伸情况下,对圆二色性(CD)的调控,并分析和讨论了巨CD产生的原因。同时还模拟了该结构的折射率传感能力,并表现出良好的传感性能,在可穿戴传感器领域的折射率传感中具有重要的应用潜力。本文的研究为研究手性与模式耦合的关系提供了理论依据,并为设计手性超表面和增强CCD提供了理论方法,在光学传感、偏振成像和生物/化学检测等领域具有潜在的应用价值。所设计的双层手性超表面在一定拉伸范围内仍可以保持较高的CD和较好的传感特性,在可穿戴传感器领域有潜在应用。

关键词：太赫兹手性超表面光学手性耦合模理论柔性材料

基于柔性基底的双层J型可拉伸手性太赫兹超表面

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激光与光电子学进展 2023年第18期60卷 209-216页

作者：陈玉婷梁馨元钟昊天黄巍银珊桂林电子科技大学光电工程学院广西桂林541004 南瑞电力信息有限公司江苏南京210000 广西光电信息处理重点实验室广西桂林541004

结构的手性在自然界中普遍存在,通常表现为不能通过平移或旋转与其镜像结构重合的现象.因为光谱探测技术能够反映光和物质相互作用产生的丰富信息,所以利用光学方法检测手性特征成为了探测和鉴别手性物质的常用手段.手性超表面能够通过... 详细信息

结构的手性在自然界中普遍存在,通常表现为不能通过平移或旋转与其镜像结构重合的现象.因为光谱探测技术能够反映光和物质相互作用产生的丰富信息,所以利用光学方法检测手性特征成为了探测和鉴别手性物质的常用手段.手性超表面能够通过人工设计达到极大的圆二色性(CD),是物质检测和传感领域的研究热点.设计了一种可动态调控CD响应,同时实现高传感性能的太赫兹手性超表面.该超表面以柔性材料为基底,前后表面为四重旋转对称的J型金属结构.仿真结果表明:该手性超表面在0.760 THz处能够产生高达0.805的强CD值;通过二维方向等比例拉伸,CD峰从0.760 THz红移至0.650 THz附近,且能保持很高的CD信号;同时,其传感灵敏度高达327 GHz/RIU,且在相对拉伸形变量高达20%的拉伸过程中仍能较好地保持手性响应和传感性能.所设计的手性超表面在动态多功能器件、可穿戴传感器领域具有潜在的应用价值.

关键词：手性超表面柔性材料圆二色性太赫兹传感

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基于手性超表面的圆极化电磁波选择性反射装置

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基于手性超表面的圆极化电磁波选择性反射装置

作者：刘晨晨西安电子科技大学

学位级别：硕士

超表面是超材料的二维版本,由于它们易于制造,并且在电磁波控制方面具有强大的能力,因此引起了人们广泛的关注。然而,到目前为止,这些被证明的超表面大都是基于非手性的元原子,并以同样的效率对左旋圆极化(LHCP)和右旋圆极化(RHCP)波的... 详细信息

超表面是超材料的二维版本,由于它们易于制造,并且在电磁波控制方面具有强大的能力,因此引起了人们广泛的关注。然而,到目前为止,这些被证明的超表面大都是基于非手性的元原子,并以同样的效率对左旋圆极化(LHCP)和右旋圆极化(RHCP)波的振幅和相位进行调制,对圆极化波展现出不同反射特征的自旋选择性超表面的讨论较少。针对这个问题,本文结合手性结构的特性与Pancharatnam-Berry(PB)相位理论,提出了一种双功能反射装置的设计方法,实现了圆极化电磁波自旋选择性反射以及涡旋电磁波产生的功能,本文所设计的反射装置在波阵面的自旋选择性调制、圆极化波探测、极化转换以及无线通信等领域将具有广阔的应用前景。主要研究内容如下:首先,对圆极化电磁波自旋选择性反射的工作机理和涡旋电磁波的特性进行研究。通过对电磁波各种极化形式的介绍、自旋选择理论的推导以及涡旋电磁波角动量的分析,为圆极化电磁波选择性反射装置的设计提供理论基础。接着,完成了为自旋选择性异常反射和携带轨道角动量(OAM)的涡旋波产生而量身定制的手性超表面的设计。先根据手性结构的基本特征,提出一种适用于自旋选择性反射的手性单元的设计,即将不对称的Π型和Γ型谐振器相互嵌入用作强圆二色性的基本元原子,通过引入手性谐振实现自旋依赖的反射与吸收。再根据PB相位理论,通过调整元原子表面金属图案的几何方位角来实现相位的改变,从而实现涡旋电磁波所需的相位条件,为后续圆极化电磁波选择性反射装置的实现奠定基础。然后,通过使用MATLAB与HFSS联合仿真的方法快速搭建手性超表面模型,并在HFSS软件中进行仿真,通过对手性超表面的近场电场幅度分布、相位分布及远场方向图分布进行分析验证了圆极化自旋选择性反射和涡旋电磁波生成的性能。最后,利用PCB印刷电路板技术制备实物并进行实验测试,通过将测试所得的近场电场幅度分布、相位分布及远场方向图等数据与仿真结果进行对比,验证了该反射装置的圆极化自旋选择性反射和涡旋电磁波生成的功能,进而完成本课题全部工作。

关键词：手性超表面圆极化波自旋选择性反射涡旋电磁波

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非厄米手性超表面中的偏振调控

非厄米手性超表面中的偏振调控

作者：李金阳华中科技大学

学位级别：硕士

超表面是指厚度小于入射波长的人工层状结构,可以实现对电磁波的偏振、振幅、相位和传播模式等光学特性的灵活调控。作为一个开放体系,在与入射电磁波的相互作用中,超表面存在能量吸收和辐射泄漏,因此适合用于研究奇异点（exceptional p... 详细信息

超表面是指厚度小于入射波长的人工层状结构,可以实现对电磁波的偏振、振幅、相位和传播模式等光学特性的灵活调控。作为一个开放体系,在与入射电磁波的相互作用中,超表面存在能量吸收和辐射泄漏,因此适合用于研究奇异点（exceptional point）的物理性质。超表面在奇异点位置具有许多新奇的光学效应,比如可以实现椭圆偏振态主轴的突然旋转,可以观察到光的单方向零反射现象和提高太赫兹波段光电探测器的敏感性,推动了相关领域的发展。本文是基于非厄米手性超表面调控光偏振态的研究,内容主要包含以下两方面:（1）设计了在太赫兹波段基于奇异点调控光偏振态的单层石墨烯手性超表面。石墨烯是近年来发现的新型二维材料,厚度只有原子大小,适合用于制备最薄的超表面,可以响应从红外到太赫兹波段的入射光,同时具有较高的透射率,能够在保证光学性能的前提下减少能量的损失。设计的手性超表面单元结构包含两条互相垂直的石墨烯,通过单元结构的参数设计和对入射波长的调控,在太赫兹波段内可以观察到呈手性对称的奇异点,分别对应左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的透射。光从相反的方向入射可以改变奇异点的手性,同时也可以观察到圆偏振光的不对称透射效应。（2）设计了基于奇异点调控光偏振态的双层L型金属手性超表面。超表面的单元结构关于x坐标轴具有旋转对称性,通过对结构参数和入射波长的调控,可以改变入射光的偏振态。随着入射波长的增加,出射光从椭圆偏振态缓慢向线偏振态靠近,在奇异点位置伴随着二四象限内与坐标轴成45度的线偏振光透射,波长继续增加时,光从线偏振态到圆偏振态的变化速度加快。为了研究方便,将超表面旋转45度,奇异点出现的条件等价于轴向线偏振光的透射,当光从相反的方向垂直入射到超表面时可以观察到轴向线偏振光的不对称透射效应。

关键词：手性超表面偏振态非厄米系统奇异点石墨烯不对称透射

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具有非对称传输特性的频率选择吸透结构设计

电子元件与材料 2023年第8期42卷 988-995,1002页

作者：张润午尚玉平廖成西南交通大学物理科学与技术学院电磁场与微波技术研究所四川成都610031

针对兼具通带内非对称传输与通带外强反射抑制功能的微波复合材料设计问题,提出了一种基于手性超表面和电路模拟有耗层的级联设计。借助缝隙耦合的双层金属栅结构,手性超表面在透波通带内呈现出与来波方向相关的非对称极化扭转特性。同... 详细信息

针对兼具通带内非对称传输与通带外强反射抑制功能的微波复合材料设计问题,提出了一种基于手性超表面和电路模拟有耗层的级联设计。借助缝隙耦合的双层金属栅结构,手性超表面在透波通带内呈现出与来波方向相关的非对称极化扭转特性。同时,通过在集总电阻加载的双方环导电条带中引入LC谐振器,获得具备频率及极化选择透波特性的电路模拟有耗层。进一步,利用手性超表面在非对称透波通带外的强反射特征,由手性超表面和电路模拟有耗层的级联形成吸透复合结构。对来自于+z方向的法向入射波,所设计的复合结构可在7.17 GHz附近实现非对称因子为86.2%、插入损耗为0.65 dB的透波通带;而在非对称透波通带以外的低频端和高频端,复合结构可分别在134.2%与127.4%的相对带宽内对x极化与y极化来波实现不低于10 dB的有效吸收。由此,在宽频吸波带中引入了一个非对称透波窗口,有益于潜在应用平台的低散射特性。

关键词：吸透结构手性超表面雷达波吸收材料非对称传输

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手性介电纳米结构米氏共振对光的调控

手性介电纳米结构米氏共振对光的调控

作者：王丽群哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

手性是物质世界普遍存在的一种材料属性,由于技术的限制,过去人们对它的了解较少且很难获得手性较强的材料,但超表面的迅速发展打破了这一瓶颈,使人工设计手性超表面逐步走向现实,在光学领域,手性超表面已应用到高灵敏探测、全息成像和... 详细信息

手性是物质世界普遍存在的一种材料属性,由于技术的限制,过去人们对它的了解较少且很难获得手性较强的材料,但超表面的迅速发展打破了这一瓶颈,使人工设计手性超表面逐步走向现实,在光学领域,手性超表面已应用到高灵敏探测、全息成像和隐身技术等方面。但是,目前人们已知的手性超表面多为结构简单的单一手性超表面,仅呈现结构手性或介电手性中的一种,对这两种手性特征同时存在时的研究较少,而且人们对某一手性超表面中由手性带来的光学效应了解也不够丰富,这些都需要进一步的探索。本文研究了超表面中结构手性和介电手性同时存在时,电磁多极子尤其是环偶极子的激发,以及在超表面中手性对连续域束缚态的调控。主要内容为使用有限元法进行仿真模拟,从无手性的超表面结构出发,依次引入介电手性和结构手性以形成较理想的对比情况,并在此过程中改变介电手性的强度,观察介电手性的强度以及介电手性和结构手性的级联对超表面中光学效应的影响。论文研究了手性对超表面中光学效应的调控,主要包括:(1)对以四个介质柱为结构单元的超表面进行了仿真分析,研究了无手性时电磁多极子尤其是环偶极子的激发;(2)研究了当以四个介质柱为结构单元的超表面具有介电手性特征时,介电手性强度对环偶极子激发的影响,同时当超表面中介电手性和结构手性同时存在时,对电磁多极子激发的影响也进行了探索;(3)在以八个椭圆柱为结构单元的超表面中,首先利用对称性破缺引入连续域的束缚态(BICs),其次研究了介电手性强度对受对称保护型连续域束缚态的调控,最后对入射光的偏振态对BICs的影响做了一定的分析。

关键词：介电手性结构手性手性超表面环偶极子连续域束缚态

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太赫兹超表面可调偏振特性研究

太赫兹超表面可调偏振特性研究

作者：张佑丹桂林电子科技大学

学位级别：硕士

超表面是通过设计合成的亚波长二维平面超材料,具有自然材料所不拥有的独特电磁特性。相比于超材料,超表面制造的复杂度和成本得到有效的降低,且损耗也显著减少。由于自然界中手性材料的光学特性较为微弱,因此将手性结构与超表面复合形... 详细信息

超表面是通过设计合成的亚波长二维平面超材料,具有自然材料所不拥有的独特电磁特性。相比于超材料,超表面制造的复杂度和成本得到有效的降低,且损耗也显著减少。由于自然界中手性材料的光学特性较为微弱,因此将手性结构与超表面复合形成手性超表面,通过操纵电磁波的偏振、相位、振幅等来增强手性光学响应,在生物、化学、光电子等领域具有重要的研究价值。本文利用石墨烯的可调特性,将其应用于手性超表面中,运用CST仿真软件研究了超表面对电磁波的偏振调控特性,包括圆二色性、偏振转换特性等。本文的具体内容如下:本文首先分析了石墨烯电导率和外部偏置电压的关系以及手性的基本原理,设计了一种动态可调手性超表面器件。通过优化该器件几何参数,在1.181 THz处,该器件对左旋圆偏振波和右旋圆偏振的吸收差值达到最大(0.85),即圆二色性为0.85。改变石墨烯的费米能级可以动态地调整器件的圆二色性。结合手性超表面的特性,将手性超表面初始单元结构与其镜像单元结构按照象限阵列排布,实现了太赫兹近场数字成像。对石墨烯的费米能级进行调控可以动态的改变其在太赫兹近场数字成像应用中成像的分辨率。进一步设计了一种工作在太赫兹波段的,可在线偏振波与圆偏振波入射下实现不同功能的双功能可调手性超表面器件。一方面,在圆偏振波的入射下,该超表面器件实现圆二色性的功能,在1.37 THz处圆二色性可达0.63;另一方面,在线偏振波的入射下,该超表面器件实现线偏振-圆偏振的偏振转换。通过调节石墨烯费米能级从0.1 e V到1 e V,可以实现圆二色性“关”和“开”的切换以及偏振转换“关”和“开”的切换。改变入射角和偏振角,该手性超表面器件都具有稳定的圆二色性和偏振转换特性。

关键词：超材料手性超表面石墨烯圆二色性偏振转换