论文总字数：23010字

摘 要

本文使用CST Microwave Studio仿真软件，设计并仿真了一种在红外波段频率下工作的超薄、超宽带、高效的反射式复合超材料，并研究了该微纳结构的旋光效应的效率以及其物理机制。

我们采用L型金属-绝缘体-金属结构设计了一种平面结构，且对其旋光效应与入射光波长关系进行了模拟与分析，结果表明该平面结构的旋光效应强度与带宽同L型结构的臂长与厚度有关。 在不同的入射光波长条件下分析共振波长相互的电场和磁场分布，得到旋光效应发生位置与改变趋势，从而得到了旋光效应发生的物理机制。通过对L型结构的参数调整，以及将两个形貌相近的L型结构进行组合，产生更强的耦合效应，最终获得了多种工作模式的双箭头偏振转换器。

关键词：线性偏振转换器，超材料，微纳结构，旋光效应

Abstract

In this paper, we use SCT Microwave Studio to design and experiment on an ultra-thin, ultra-wideband and efficient reflective linear polarization converter, and investigate the optical rotation effect and its physical mechanism of the nano-micro structured metamaterial.

We designed a planar antenna with L-type metal-insulator-metal structure, and simulated the relationship between the optical effect and the wavelength of incident light; the results show that the optical effect intensity of the planar antenna is related to the bandwidth and the arm length and thickness of the L-type antenna. The 3D model of the electric and magnetic field intensity changing with time was analyzed under different incident light wavelengths, and the location and change trend of the optical rotation effect were known, therefore we obtained the physical mechanism of the optical rotation effect. By adjusting the parameters of the L-shaped antenna and combining the twoL-shaped antennas with similar morphologies, the coupling effect is stronger and the bandwidth is wider.

KEY WORDS: linear polarization converter, nano-micro structured metamaterials, optical rotation effect

目 录

目录

摘 要 I

Abstract I

第一章 绪论 1

1.1 超材料的研究发展 1

1.1.1 超材料的简介 1

1.1.2 超材料的发展 1

1.1.3 太赫兹超材料 3

1.1.4 等离激元超材料 4

1.2 偏振转换的研究 4

1.2.1 旋光效应 4

1.2.2 偏振转换的实现 5

1.3 本论文的主要内容 5

第二章 理论分析和研究方法 7

2.1 Drude模型 7

2.1.1 Drude模型的理论 7

2.1.2 材料中的Drude模型 7

2.1.3 模型的准确性 8

2.2 数值分析方法 8

2.2.1 有限元法 8

2.2.2 时域有限差分法 9

2.3 电磁仿真软件介绍 10

第三章 材料设计 12

3.1 理论计算 12

3.2 软件模拟 13

第四章 结果分析 14

4.1 L型结构的偏振转换效应 14

4.1.1 转换效率及其带宽 14

4.1.2 偏振转换产生的物理机制 15

4.2 优化超材料表面纳米结构的几何参数 16

4.3 结构的角度依赖性探究 19

4.4 入射波的角度依赖性探究 21

总结及展望 23

参考文献 24

致 谢 26

绪论

超材料的研究发展

超材料的简介

目前的研究缺乏产生所需电磁响应的天然存在的材料，所以人们力求于构造新的人造复合材料，我们称其为超材料，这种新材料的晶格结构由比原子或单个分子大得多的基本单元组成，它是人造的，不是自然形成的结构，其结构长度小于入射光的波长。此外，所构造的超材料的效果基于制造的基本单元的共振频率。它的优点和实用性来自于它自身的一种共振响应，这种响应强度可以针对特定的应用环境进行定制，并且可以通过电气或光学进行人为操控。

随着超材料的发展，我们现在能够利用它实现用天然材料所不能实现的目的。以天然玻璃透镜为例，该透镜以看似单波的方式与光（电磁波）相互作用，而光以两种波的方式传递。换句话说，光由电场和磁场组成。对于传统镜头的相互作用或者其他天然材料来讲，光与电场的相互作用由单波主导，镜片材料中的磁相互作用基本上为零。这导致了很多的光学限制，例如衍射屏障。此外，基本上缺乏与光的磁场强烈相互作用的天然材料。超材料是一种合成复合结构，它克服了这一局限，因此在物理定律范围内，增加了更多的可制造选择。这种独特的性质开辟了重要的机会，包括提出了操纵电磁波极化的另一种方法。几种高效率波长延迟方法已通过不同的超材料微纳结构的设计被证明，这些偏振波延迟具有不同的偏振状态，如线性偏振态之间的转换、线性偏振态到圆偏振态以及圆偏振态到圆偏振态的极化。与传统的波片相比，这种基于超材料的波阻器具有亚波长厚度、转换效率高、可容忍的入射角大和应用范围广、易集成到光电器件中等优点。在现有的大多数波阻器中，极化状态是在传输模式下操作的，在反射模式下操作的设计数量有限。对于大多数反射模式下的缓速器来说，不良的高共极化反射严重限制了偏振转换效率和带宽。 为了扩展功能，非常需要具有高性能的宽带反射偏振转换器或延迟器。

超材料的发展

对于操纵电磁波的人造材料的探索始于19世纪末。贾格迪什·钱德拉·博斯(Jagadish Chandra Bose)在1898年研究了具有手性的物质，他对一些可能被认为是超材料的结构进行了最早的研究。卡尔·费迪南德·林德曼(Karl Ferdinand Lindman)在20世纪初研究了波与作为人工手性介质的金属螺旋的相互作用。温斯顿·e·科克(Winston E. Kock)在20世纪40年代末开发出了与超材料具有类似特性的材料。在20世纪50年代和60年代，他研究了用于轻型微波天线的人工介质。微波雷达吸波器是20世纪80年代和90年代发展起来的一种人工手性介质。Victor Veselago在1967年首次从理论上描述了负折射率材料。他证明了这种材料可以发光。他还证明了相速度可以反平行于波印亭矢量的方向，这与波在自然物质中的传播相反。

1967年，Victor Veselago提出了“左手”或“负折射指数”的理论。它们需要同时具有负磁导率和负介电系数。在很长一段时间里，这种双重负条件都很难实现，尽管长期以来，人们都知道有负介电系数的环境(例如等离激元)。2006年，帝国学院的约翰·彭德里(John Pendry)提出了一种由同心圆组成的金属周期性结构，称为分裂环谐振器(SRR)，以及连续的金属线。在连续的两篇文章中，他证明了连续连续的平行金属线的周期性排列在低频下是负介电系数相应的，而SRR的周期性网络在共振频率周围具有负的磁导率。通过将两个网络合并成一个复合的周期性结构，实现了V. Veselago提出的环境。该介质在SRR共振频率附近有一个负指数。这种负折射指数的性质已经很了不起了，但它仍然仅仅是实验室的一个尝试。真正引起人们注意的是J. Pendry提出的一种可能性，即制造一种超透镜，其分辨率将不再受到传统光学定律的限制。

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