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基于复合光栅和梯度超表面的多功能器件设计

光子学报 2023年第9期52卷 55-65页

作者：刘海赵思怡陈聪高鹏戴耀威赵佳明万寅辉路祥宇王馨艳李雷中国矿业大学教育部地下空间智能控制工程研究中心徐州221116 中国矿业大学信息与控制工程学院徐州221116

设计了一种金属/介质/金属复合光栅与梯度超表面相结合的多功能器件。通过复合光栅的非对称结构实现光的非对称传输,当调制后的波矢量与表面等离极化激元的波矢量相匹配时,金属光栅激发的表面等离极化激元产生单波段光传输;通过梯度超... 详细信息

设计了一种金属/介质/金属复合光栅与梯度超表面相结合的多功能器件。通过复合光栅的非对称结构实现光的非对称传输,当调制后的波矢量与表面等离极化激元的波矢量相匹配时,金属光栅激发的表面等离极化激元产生单波段光传输;通过梯度超表面实现光的异常反射。当x偏振态光波入射时,不同入射方向可在不同波段激发表面等离极化激元,由于上下光栅的不同周期和非对称的介质环境,光栅可分别在1128 nm和1550 nm处实现高透射率;另外在反向入射方向,该器件在1300~1400 nm整个波段表现为零吸收,反射率大于90%,可作为反射器。当y偏振态光波入射时,在反向入射方向器件通过相位梯度超表面实现异常反射。该结构可为各种偏振相关的多功能器件和集成光学元件提供参考。

关键词：复合光栅非对称传输梯度超表面表面等离极化激元异常反射

一种可实现声隐身的梯度超表面及其损伤影响研究

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一种可实现声隐身的梯度超表面及其损伤影响研究

作者：赵海龙宁波大学

学位级别：硕士

自由调控声波是理论声学研究的一个核心问题之一。声学超材料的出现为自由调控声波提供了新的研究方向。而声学超表面作为“二维化”的超材料,因其独特的结构优势,成为声学学科的一个前沿课题。声学超表面通过巧妙的结构设计实现了对声... 详细信息

自由调控声波是理论声学研究的一个核心问题之一。声学超材料的出现为自由调控声波提供了新的研究方向。而声学超表面作为“二维化”的超材料,因其独特的结构优势,成为声学学科的一个前沿课题。声学超表面通过巧妙的结构设计实现了对声波灵活的操控,在声学成像、医学探测、航空航天、建筑、汽车、通信等领域具有广泛的应用价值。近些年,声学超表面引起人们的广泛关注,科研者的目光更多地是聚焦于设计样式更加新颖、功能更加齐全、工作频率范围更宽的声学超表面。然而,对于声学超表面在实际工程应用中损伤的问题在目前还缺乏研究。声学超表面在实际工程应用中无法避免损伤,研究损伤对超表面声学特性的影响具有重要的工程意义。本文设计了一种可实现声隐身的梯度超表面。该梯度超表面可以在宽频带内将平面波聚焦于一点,从而在焦点两侧区域实现声隐身。通过数值计算和仿真模拟两种方法对梯度超表面的可行性进行验证。其中,数值验证利用了一种新的理论方法,即最优频域九点有限差分法。仿真模拟与数值计算的结果吻合较好,结果表明梯度超表面实现了良好的隐身性能,并且随着入射波频率的增加,声场中焦距和隐身区域也变大。其次,本文研究了损伤对梯度超表面实现的声隐身功能的影响,通过比较引入完好和损伤梯度超表面两种情况下的声强场,揭示了梯度超表面损伤对其隐身性能的影响,研究结果表明内部薄膜破损对梯度超表面实现的隐身性能无影响;而外部薄膜破损中,梯度超表面中氩气单元损伤对隐身区域影响较小,氙气单元损伤对隐身区域影响较大。梯度超表面损伤对其实现的隐身功能的影响起决定性作用的是狭缝单元的材料的选择。本文工作为隐身声学超材料的设计和工程应用提供了技术指导。

关键词：损伤梯度超表面声隐身频域九点有限差分法

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基于声学梯度超表面的声波调控

基于声学梯度超表面的声波调控

作者：李冰南昌大学

学位级别：硕士

在20世纪末,兴起了一种新型人工微结构,它被称为声学超材料,其拥有独特的物理性质是自然界材料所不具备的,因此利用声学超材料独特的物理性质可以很轻松地实现对声波的调控。声学超材料的出现,激发了众多学者的研究兴趣,学者们对其投入... 详细信息

在20世纪末,兴起了一种新型人工微结构,它被称为声学超材料,其拥有独特的物理性质是自然界材料所不具备的,因此利用声学超材料独特的物理性质可以很轻松地实现对声波的调控。声学超材料的出现,激发了众多学者的研究兴趣,学者们对其投入了极大的研究热情,希望能够利用超材料研制出新型的声学功能器件,使得研制出的设备优于传统的声学器件。但是随着人们对超材料的研究不断深入,它的一些缺点也暴露出来,其具有体积大、成本高、损耗大、带宽窄等缺点,由于体积较大,所以比较难以集成。从而使声学超材料变薄、变轻的设计目标成为了越来越多科研工作者迫切的需求。经过十多年的研究,一种超薄的表面应运而生,它被人们称为“超表面”。它是一种在平面上排列而成的准二维周期性结构,其尺寸小于波长,利用其独特的性质使声波在界面上产生相位突变,从而现实了对声波的几乎任意调控,超表面打破了利用传统方法对声波的调控,传统方法有反射、折射等。人们通过利用超表面已经实现了关于声波调控的许多现象,比如,异常折射或反射、非对称传输、声波聚焦、声波吸收等。人们对于声学超表面的研究不但有重要的科学意义,而且对于实际应用有很大的潜在价值。根据之前报道有关超表面的研究背景,本文的研究内容分为两个方面,具体如下:(1)在利用梯度超表面实现声波异常折射方面,设计出了与空气阻抗相匹配的梯度超表面,可以实现高透射异常折射现象。在文中根据有限元法模拟了声波以不同入射角入射到超表面时折射波的声压场分布,当入射方向确定时,可以实现在中心频率较大的范围内对折射声波的调控。最后根据广义斯涅尔定律计算出理论折射角,结果表明理论分析与模拟结果有很好的吻合。(2)在利用单层梯度声超表面实现声波的非对称传输方面,设计并模拟验证了一种实现声波非对称传输的方法,在很宽的角度范围内获得了高对比度的声波非对称传输。经过恰当的超表面结构设计后,负折射现象实现了声波的正向导通;高阶衍射的抑制导致了反向入射的声波传输被禁止。基于广义斯涅耳定律分析了非对称传输的原理,有限元法数值模拟结果很好地验证了理论分析研究结果,其研究在噪声控制、超声整流或治疗等方面具有潜在的应用价值。

关键词：声学超表面梯度超表面声波调控异常折射非对称传输有限元法

基于梯度超表面的多模PSOAM的产生和合成

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基于梯度超表面的多模PSOAM的产生和合成

作者：华琳浙江大学

学位级别：硕士

移动互联网时代下,人们对于无线通信的需求更加强烈而全面,如何合理利用有限的频谱资源,提升频谱利用率是通信行业亟待解决的问题,轨道角动量（OrbitalAngularMomentum,OAM）作为一种可能的解决方案,表现出极大的研究价值。然而OAM波束... 详细信息

移动互联网时代下,人们对于无线通信的需求更加强烈而全面,如何合理利用有限的频谱资源,提升频谱利用率是通信行业亟待解决的问题,轨道角动量（OrbitalAngularMomentum,OAM）作为一种可能的解决方案,表现出极大的研究价值。然而OAM波束存在相位奇点、不同模态的波束发散不一致等问题,在实际应用中受到了限制。平面螺旋轨道角动量（Plane Spiral OAM,PSOAM）的概念在此背景下被提出。与传统沿着轴向传播的OAM波束（OAM传播波）不同,不同模态的PSOAM波束均沿着同一平面传播,易于实现多模态合成,避免了波束发散不一致的问题。多模态PSOAM合成可以构建具有多样化辐射图样的结构电磁波,在雷达探测及保密通信中具有潜在的应用优势。然而,现有的PSOAM产生方式由于天线尺寸或辐射效率问题,在实现多模合成上较为困难。因此,探索新的多模PSOAM产生方法以及研究合成波束特性对于PSOAM的应用具有重要的意义。本文提出了一种新的多模PSOAM的产生与合成方法。该方法利用环状排布的梯度超表面,可以把入射的OAM传播波转化为OAM表面波,即产生PSOAM波。当多个OAM波束同时入射时,则可以实现多模PSOAM波的产生和合成。论文工作为多模PSOAM的产生和合成提供了一种新的思路。论文基于环形行波谐振腔理论,设计了工作频率为15GHz、模态为±5和±3的环形谐振腔天线。然后重点设计了一种环状排布的梯度超表面,将上述环形谐振腔天线作为OAM入射源,进行仿真验证,并对OAM波向PSOAM波的转化进行了详细的理论分析。此外,论文设计的超表面结构成功实现了±5和±3四个模态的合成,仿真辐射特性与理论计算一致。最后,通过调控馈电相位,实现了合成图样在横向平面360°的波束扫描。

关键词：轨道角动量平面螺旋轨道角动量环形谐振腔天线梯度超表面多模合成波束扫描

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可实现声隐身的梯度超表面设计及其损伤研究

机械制造 2022年第5期60卷 1-7,80页

作者：赵海龙娄佳宁波大学机械工程与力学学院浙江宁波315211

设计了一种可实现声隐身的梯度超表面,采用有限元方法模拟计算域的声压和声强,通过比较完好梯度超表面和损伤梯度超表面两种情况下的声强,研究梯度超表面损伤对隐身性能的影响。通过研究,为隐身声学超材料的设计和工程应用提供了技术参考。

关键词：梯度超表面声隐身损伤

基于严格耦合波分析的梯度超表面快速设计方法

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基于严格耦合波分析的梯度超表面快速设计方法

基于多元信息的多功能电磁集成超表面研究进展

第十八届全国电波传播年会

作者：黄婷王任王秉中

大多数超表面单元在设计过程中需要经过逐步的人工调整,且高度依赖经验,一旦优化目标改变,就需要重新对单元结构进行优化设计,导致设计成本高且耗时长.为了解决这一问题,本文利用伴随敏感度分析的拓扑优化算法,提出了一种基于严格耦合... 详细信息

大多数超表面单元在设计过程中需要经过逐步的人工调整,且高度依赖经验,一旦优化目标改变,就需要重新对单元结构进行优化设计,导致设计成本高且耗时长.为了解决这一问题,本文利用伴随敏感度分析的拓扑优化算法,提出了一种基于严格耦合波分析(RCWA)的梯度超表面快速设计方法.首先给定设计结构的目标要求和优化次数,将超表面网格化,并定义设计变量和目标函数.然后利用RCWA计算电场并得到目标函数关于设计变量的梯度,将这个梯度定义为敏感度,通过敏感度更新设计变量,直到循环达到指定次数.本文利用该方法设计了能够在14-27.5GHz使得入射波偏转45度的超表面,目标函数定义为45度偏转方向的衍射效率,设计变量定义为结构体的相对介电常数.为实现宽带设计,选择在14～27.5GHz对应的波长范围内均匀选择11个点,计算每个波长对应的梯度并得到梯度的平均值,将其作为一次拓扑优化的最终梯度.总共的设计时间在5个小时左右.通过电磁仿真软件对该结构进行了验证,结果表明最终设计的超表面符合设计要求,说明我们提出的方法能够快速设计符合目标要求的超表面.本方法通过算法自动得到超表面,不需要很高的设计成本。并且由于网格化操作,最终得到的超表面形状不规则,具有更高的优化自由度。普通的设计方法针对N个设计变量需要计算N次梯度,该方法只需要计算2次就能得到梯度,大大降低了设计过程中计算资源的需求.RCWA适用于求周期性结构的电磁场,相较于全波仿真,能更快速地得到周期结构的场值,进一步加快了设计的时间.这种设计方法可以运用在更多的器件结构上,帮助实现更多的功能,具有较大的应用价值.

关键词：梯度超表面拓扑优化宽带严格耦合波分析(RCWA) 偏转角

来源： cnki会议评论

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cnki会议

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雷达学报（中英文） 2021年第2期10卷 191-205页

作者：许河秀王彦朝王朝辉彭清空军工程大学防空反导学院西安710051 空军工程大学基础部西安710051

作为超材料的二维形式,梯度超表面由于其超薄结构、灵活的各向同性/异性结构选择和突变相位特性,具有很强的电磁波前操控能力,是目前的研究热点。该文率先提出以激励电磁波的极化元、频率元、角度元、方向元以及出射电磁波的位置元等一... 详细信息

作为超材料的二维形式,梯度超表面由于其超薄结构、灵活的各向同性/异性结构选择和突变相位特性,具有很强的电磁波前操控能力,是目前的研究热点。该文率先提出以激励电磁波的极化元、频率元、角度元、方向元以及出射电磁波的位置元等一元、二元甚至多元信息组合编码的多功能分类方式,详细归类总结了多功能集成超表面的研究进展,获得了多功能集成超表面清晰的研究方案和技术路线。该文对多功能电磁超表面未来可能的发展方向进行了展望,旨在为多功能超表面研究提供新思路,实现更新颖、更复杂和更大容量的集成波前调控和功能器件,促进未来通信和雷达器件的集成与小型化发展。

关键词：梯度超表面多功能多元高集成度高效率

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应用单层超表面实现声波宽角度非对称传输

声学技术 2019年第3期38卷 253-257页

作者：李冰徐辉宇何灵娟于天宝刘文兴王同标刘念华廖清华南昌大学物理系江西南昌330031 南昌大学高等研究院江西南昌330031

利用单层梯度超表面结构,设计并模拟验证了一种实现声波非对称传输的方法,在较宽的角度范围内实现了高对比度的声波非对称传输。经过恰当的超表面结构设计后,负折射现象实现了声波的正向导通;高阶衍射的抑制导致了反向入射的声波传输被... 详细信息

利用单层梯度超表面结构,设计并模拟验证了一种实现声波非对称传输的方法,在较宽的角度范围内实现了高对比度的声波非对称传输。经过恰当的超表面结构设计后,负折射现象实现了声波的正向导通;高阶衍射的抑制导致了反向入射的声波传输被禁止。基于广义斯涅耳定律分析了非对称传输的原理,采用有限元法的数值模拟结果很好地验证了理论分析。研究结果在噪声控制、超声整流或治疗等方面具有潜在的应用价值。

关键词：声学超表面梯度超表面非对称传输有限元法

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二氧化钛波导刻蚀工艺优化研究

二氧化钛波导刻蚀工艺优化研究

作者：范瑞钦哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

二氧化钛是一种非常有应用前景的材料。拥有独特的光催化特性,更有着非常好的光学性质,如折射率高、可见光到红外的宽透明窗口、低双光子吸收和高非线性能力。除此之外,借由镀膜和刻蚀工艺,二氧化钛能够做到片上集成,实现高性能的非线... 详细信息

二氧化钛是一种非常有应用前景的材料。拥有独特的光催化特性,更有着非常好的光学性质,如折射率高、可见光到红外的宽透明窗口、低双光子吸收和高非线性能力。除此之外,借由镀膜和刻蚀工艺,二氧化钛能够做到片上集成,实现高性能的非线性应用,如超连续、光频梳;或是实现二氧化钛超表面,应用在如结构色、超透镜、增强光催化等方面;同时也能够应用在回音壁光学微腔中,利用高Q值的二氧化钛光学微腔,实现如增强与物质相互作用,光学传感等应用。二氧化钛的片上集成器件的制备可以采用磁控溅射、原子层沉积等方法自下而上制备,也可以采用自上而下的半导体工艺流程。考虑与CMOS工艺的兼容性,本文采用了自上而下的半导体工艺。首先我们利用真空电子束蒸镀机制备了Ti O2薄膜,在文中给出了详细的制备过程,对制备好的薄膜晶相与光学性质做了表征给出了表征结果。随后我们讨论了金属掩模的剥离工艺和蒸镀工艺的优化,给出了优化结果。在简要介绍ICP刻蚀原理后,分析了ICP刻蚀的各个工艺参数如气体压力、ICP源功率、射频源功率以及刻蚀时间等对刻蚀的深度、侧壁的倾角、垂直度等因素的影响,给出了详细的优化过程和优化结果。利用优化后的刻蚀工艺,我们并制备了Ti O2波导与微环,本文首先对回音壁光学微腔的模式特性进行了分析,讨论了回音壁微腔内的重要参数。随后介绍了二氧化钛波导微环实验的实验装置,通过利用Ti O2光栅定向耦合器或是透镜光纤进行末端直接耦合的方法测量微环的Q值,实验测得我们制备的Ti O2回音壁光学微腔的透射光谱数据,通过洛伦兹拟合,经计算Ti O2微环的品质因子能达到3万以上。为了实现对波导内传输模式进行调控,我们引入了梯度超表面。超表面由一系列的二维微纳结构组成。当光入射在微纳结构上是,由于微纳结构的散射作用,使得出射光相较于入射光产生了一定的振幅和相位变化。经过微纳结构的尺寸、形状、排布特殊设计,就能够对光的传播进行调控。本文通过在Ti O2波导上设计硅天线微纳阵列,利用微纳天线阵列的集体散射效应为波导内的传输模式提供一个等效波矢6)eff,从而实现对波导内的模式进行调控。本文提出了1.2μm宽,0.8μm厚的波导传输的TE基模转化成TM基模的天线阵列设计,并给出了仿真结果。

关键词：二氧化钛波导 ICP刻蚀梯度超表面微环谐振器