超材料实现的高效率线偏极化转换器

论文总字数：17188字

摘 要

近来超材料凭借其优异的电磁性能收到了人们的广泛关注。它具有电磁波非对称传输特性。这种特性可用于非互易器件的设计制作，具有广泛的应用前景。

在本文中通过计算电磁学设计了一种等离激元微纳共振结构调控电磁波偏振状态。在设计过程中，主要考虑所设计的超材料结构如何实现不对称传输。通过设计多层手性超材料完成将线偏振光转换为圆偏振光，通过数值模拟分析计算高效偏振转换工作频段。并对结构参数进行分析以提高偏振转换效率。

主要研究内容包括：1.文献背景调研，等离激元微纳共振结构；2.研究所设计结构不同的参数对其特性的影响；3.分析影响结果的因素并解释其物理机制。

关键词：超材料，偏振转换，不对称传输，等离激元微纳共振

窗体顶端

using窗体底端

Using metamaterial to achieve high efficiency polarization converter

Abstract

Recently, metamaterials with its excellent electromagnetic performance, received widely attention. It has asymmetric transmission characteristics of electromagnetic waves. This properties could be used to make non-reciprocal device design, with a wide range of applications.

In this paper, we design a structure of micro-nano plasmon polaritons resonance to control the polarization state of electromagnetic waves. In the design process, we consider how to realize asymmetric transmission with metamaterials. We can use multilayer chiral metamaterials to convert linearly polarized light to circularly polarized light. And analyze the working frequency of efficient polarization conversion by numerical simulation. Then we can change the structural parameters to observe the polarization conversion efficiency.

The main contents: 1. construct a sample. 2. study different parameters and structures of samples’ influence on its one-way transmission characteristics. 3. analyse factors that influence the outcome and interpret the physical mechanisms.

Keyword: metamaterial, polarization, conversion, asymmetric transmission, plasmon polaritons resonances

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1选题背景及意义 1

1.2超材料简介 1

1.2.1超材料的概念 1

1.2.2已出现的“超材料”系统 2

1.2.3超材料发展和未来方向 3

1.3偏振转换简介 4

1.3.1偏振光的概念 4

1.3.2偏振片工作原理 4

1.3.3非对称传输 5

1.4表面等离激元简介 6

1.4.1表面等离激元 6

1.4.2表面等离激元的应用 6

第二章 研究方案 7

2.1研究方案论证 7

2.2研究所采用的计算模拟方法 8

2.2.1计算电磁学方法 8

2.2.3有限元法 11

第三章 使用超材料实现X线偏振转换为圆偏振特性研究 13

3.1模型 13

3.1.1 超材料结构设计 13

3.1.2 超材料结构参数设定 14

3.2结果分析 15

3.2.1 x偏振光和y偏振光透射系数 15

3.2.2在频段内实现x线偏振光转换为圆偏振光 17

3.2.3旋转角对偏振转换效率的影响 18

第四章 总结 19

致谢 20

参考文献 21

第一章 绪论

1.1选题背景及意义

超材料（来自于希腊单词“meta”，意味“超越”)是指在天然材料中尚未发现具有超常物理性质的人工材料。它是由包含诸如金属及塑料等多种材料组成的复合材料。通过设计超材料的不同层次物理结构，可以实现对不同物理量的调制，从而获得超常的材料功能。

在本毕业设计中，研究了采用超材料来实现高效率的偏振转换器。我们使用超材料来设计等离激元微纳共振结构来调控偏振状态。由于所设计的多层手性超材料结构既不包含旋转对称性也不具有镜面对称性，即该多层结构打破了所有对称性，使得传输矩阵中四个矩阵元各不相同，从而实现了在正方向入射和反方向入射的透射总量并不相同。此结构不仅实现了偏振状态转换还引起了透射的不对称传输。

这种特性可用于设计非互易器件如单通分路器，隔离器，设计光集成线路，具有广泛的应用前景和研究价值。

1.2超材料简介

1.2.1超材料的概念

超材料是指在自然材料中尚未发现具备超常物理性质的人工材料。超材料的物理性质并不由组成它的基础材料决定，而是由它的物理设计结构决定。它不仅仅是由金属和塑料等多种材料组成的复合材料，更是一种设计思想。通过对材料微观物理尺度进行良好的结构设计，从而突破某些表观自然规律的限制。通过改变构型，形状，大小，方向和排序方式，超材料具有阻断，吸收，增强或者弯曲电磁波的特性，从而实现天然材料无法实现的物理特性。

超材料的基本设计思路是：材料中所呈现的一些物理特性通常和该种材料结构中的关键物理尺度有关。一个相当直观的例子是晶体。晶体是自然界中物质的有序结构的一个重要形式。他的有序结构存在主要存在原子层次。正是由于在这个尺度上的有序性调制,使晶体材料形成了一些无定型态所不具备的物理特征。由此推断,通过在其它层次上的有序排列，可能获得一定程度的自然界中天然材料所不具备的物理性质。因此,人们可以通过设计各种层次的有序结构来实现对不同物理量的调制,从而获得自然界中在该层次上无序或无结构的材料所不具备的物理特性。这一设计思想显示了人们在不违背客观自然规律的基础上，人工获得与天然物质具有相异的超常物理性质的“新物质”^[1]。

迄今为止，人们所使用的各种功能材料是建立在各种天然材料性质的提高和改进上。而随着材料制备技术的不断提升，应用天然材料的性质以进一步提升功能材料性质的潜力正在不断枯竭。因此，“超材料”的设计思想无疑会对新材料的设计和开发带来新的机遇。

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