基于分形声学超材料的宽带声聚焦透镜

声学超材料,是一种用于操纵声波的人工声学结构,具有诸多自然界所不具备的超常物理性质.不同于早期的局域共振声学单元结构,基于希尔伯特分形曲线提出了一种具有低损耗、高折射率的分形声学超材料,给出了分形结构声学单元的进化过程,并运用等效媒质理论,提取了具有亚波长的分形超材料单元的相对折射率、相对阻抗、等效密度及等效模量等材料参数.由于分形结构具有的自相似性和空间折叠特性,所提出的分形超材料具有宽带工作频率响应,为众多应用场合比如声超分辨率成像及声隧穿效应器件提供了候选材料.为检验分形声学超材料特性,应用分形声学超材料设计了梯度折射率分布的声聚焦透镜,并由固体方块阵列仿真对比、实验测量、以及点声源入射等三种手段验证了分形声学超材料参数特性及其聚焦透镜在2~5kHz宽频带内良好的聚焦能力.     

一种折射率近零超材料的设计、制作和表征

利用人工结构制成的超材料能够实现天然材料所不具备的特性,电磁超材料作为一个新兴、多学科交叉领域,在理论探究和实验证明上都已成为近年来科学研究的热点之一,除单负和双负材料之外,电磁参数近零的超材料因其在光学隐身、天线雷达、军事等方面的应用也受到科学家的广泛关注。本文利用共振的H分形结构设计制作了在微波频段下折射率分布在[0,1]之间的微波超材料,而且利用微波波导传输线对多种变化尺度的晶胞结构进行电磁参数的测量,得到了每种晶胞结构对应的X波段折射率频谱,通过研究晶胞结构单元的等效电磁参数实现了一种折射率近零超材料,从而为实现近零折射率分布的变换光学器件如Inside-out Eaton Lens的实验研制提供了材料选择。     

金属亚波长小孔的光传输特性仿真模型

用三维全矢量有限元时域差分方法计算了亚波长单孔以及二维周期性孔阵列的超透射特性,分析了平面波光源通过金属圆孔点阵后,透射曲线随着点阵周期、孔径、金属薄膜厚度、介质材料和金属材料变化的规律,以及局域表面等离子体和表面等离子体共振对超透射现象的影响.证实了表面等离子共振对透射曲线中透射谷的位置起到决定性作用,而透射峰的位置除了受到介质、金属材料和点阵周期的影响之外,还会随着金属薄膜的厚度的减薄和亚波长圆孔孔径的增大出现红移.用聚焦粒子束刻蚀制备了金/氧化硅演示结构,实测与仿真结果具有较好的一致性.     

机器学习在超材料智能设计中的研究现状

机器学习在超材料智能设计中起着非常重要的作用.利用35篇文献,综述了机器学习在超材料的结构参数优化、电磁响应预测、拓扑结构自动设计、相位预测及结构筛选、声波亚波长成像等几种典型应用领域中的最新研究现状,列举了目前研究中存在的问题,并给出了建议和未来发展趋势.     

表面等离子体亚波长光学的研究

表面等离子体激元是局域在金属表面的一种由自由电子和光子相互作用形成的混合激发态.改变金属表面的结构,SPPs与光相互作用的特性也会随之改变.所以,SPPs在光存储、光激发、显微技术和生物光子学等领域的应用受到日益关注.首先,介绍了SPPs的基本特性和表面等离子体亚波长光学研究热点,然后用微加工的手段制备了亚波长的环形和分形结构的样品,并用实验测量和传输矩阵的方法得出两级cross dipole分形结构在近红外和中红外的透过曲线,在1.72μm和5.2μm的波长处有两个强的透过峰,其透过率分别为36%和49%,理论和实验结果一致.     

亚波长光栅的可见光共振特性研究

研究亚波长光栅的可见光共振特性. 分析了光栅共振的基本原理. 基于严格矢量衍射理论给出了不同光栅参量(如光栅周期、填充因数、光栅深度、光栅材料等)的优化设计图,定量得出了各参量控制光栅共振特性(共振波长和半峰全宽)的一般规律,共振波长与光栅周期成比例. 共振半峰全宽值主要依赖于光栅调制系数和波导光栅对导模的限制程度,填充因数和光栅深度也对其有一定的影响,为新型防伪光栅设备的开发提供了理论依据.     

基于石墨烯超材料的类电磁诱导透明研究

建立一个基于石墨烯的太赫兹超材料的周期单元结构,利用时域有限差分法进行仿真计算,深入解析石墨烯超材料与太赫兹电磁波相互作用出现的电磁诱导透明现象。分析了TM模式下该结构的电磁诱导透明发生的机理,通过改变结构材料、入射角度、石墨烯条的尺寸,分析反射峰的频点和透明窗口变化。计算结果表明:该结构在5.59 THz处由于共振耦合产生干涉相消,形成一个透明窗口;当石墨烯条的宽度增加时,共振频点发生蓝移,共振强度也明显增强,但透明窗口宽度并没有明显的变化;增加电磁波的入射角度,共振耦合强度减弱,但耦合频点基本无变化,说明该结构产生的电磁诱导透明效应对电磁波入射角不敏感。该研究结果在太赫兹反射器、非线性器件等方面有着潜在的应用价值,给太赫兹超材料器件的设计提供了新的思路。     

超材料技术的研究进展

超材料作为近年来研究热门之一,其所拥有的奇异特性具有非常大的应用前景.作为一种利用物体结构排列次序而使其产生特异性能的材料,其材质、结构形状以及结构尺寸直接决定了超材料的电磁特性.本文分析了超材料奇异的电磁特性和发展现状.     

亚微米光栅微结构光学特性研究

提出了一种新型的亚微米光栅微结构,研究了其光谱共振特性.给出了该结构的反射光谱及光谱带宽表达式,用矢量衍射的方法对比分析了该结构与亚波长光栅的共振、光谱带宽及线形改良的规律.研究表明:微结构的共振及光谱带宽由等效光栅强度和导波的位相光谱移相速率决定,前者的物理意义为耦合到微结构内一级衍射光的能量;提出的微结构与亚波长光栅有相似的共振特性,但带宽明显增大;微结构的光栅调制度并不影响其有无共振特性,但光谱带宽及共振面积却随着调制度的增加而增大;经设计微结构将有优良的窄带及宽带滤波功能,而后者可使之呈现肉眼可见的新型彩色光变效果,可以应用于防伪领域.     

亚波长双光栅共振光谱与角谱展宽特征研究

提出了一种亚波长双光栅结构,并用涂布及全息干涉光刻的方法制作了该结构,检验了其共振光谱的特征.分析了亚波长光栅的共振光谱和角谱的带宽展宽、线形改善的原理,用数值模拟的方式研究了双光栅和亚波长光栅的共振光谱和角谱的带宽展宽、线形改良的规律.研究表明:双光栅是性能较好的防伪光栅微结构,可以展宽亚波长光栅的共振光谱、角谱的带宽并能改善光谱线形,获得更佳的彩色光变效果.     

基于石墨烯双曲色散腔中回音廊共振的纳米激光器

本文设计并研究了基于石墨烯球形双曲色散超材料腔(由多层石墨烯和介质交替包裹介质核组成)中回音廊共振的纳米激光器.首先说明该石墨烯-介质核壳结构具有双曲型色散关系,支持共振波长远大于腔尺寸的回音廊模式,能够把电场局域在深度亚波长的区域.另外,由于该腔支持多个不同阶次的偶极回音廊共振,并能够在不同介质层中形成强约束电场,具有高Purcell因子.因此,通过在相应的介质层引入增益,可实现多波长激射,且阈值较低.对于直径404 nm的腔,在32.3μm的激射阈值仅为80.6 cm~(-1).进一步说明通过改变介质折射率、石墨烯费米能级或石墨烯/介质层对数,还能够实现激射波长的宽带调谐.最后说明对于仅由2对石墨烯/介质层组成的回音廊共振腔,最大共振波长和直径比也达到约50倍,相应的激射阈值仅90.74 cm~(-1).该纳米激光器兼备了深度亚波长、低阈值和宽带可调谐等特性,有望在太赫兹集成器件中发挥重要的应用.     

非对称声学超材料的各向异性反射特性及等效参数

针对非对称声学超材料的异常声学特性问题,设计了材料非对称、几何非对称和共振非对称3种结构,深入研究了各向异性反射特性及等效参数的产生机理。通过仿真和实验研究了3种非对称声学超材料的声学特性,研究表明当材料非对称和几何非对称形成非对称共振特性时,可实现各向异性的反射相位,考虑材料损耗下还可进一步实现各向异性的反射幅值。非对称共振特性还产生了各向异性的等效参数,进而提出了改进的直接法来求解非对称声学超材料的统一等效参数,求解的统一等效参数和透射幅值存在对应关系并且满足被动材料的要求,验证了该方法的正确性。该研究结果可为设计具有零反射的声学器件提供一定的参考。     

低频大宽带声学超结构的多阶共振高效吸声机理

针对传统吸声材料效率低、频带窄的不足,设计了一种多阶共振超表面。多阶共振超表面通过在共振腔内部插入一个或多个带有小孔的分隔板来构造,使其保持原吸声峰和结构尺寸不变情况下,在较宽频带内获得多个近乎完美的吸声峰,明显增加了吸声频带宽度。通过吸声系数和相对声阻抗率对迷宫二阶共振超表面的高效吸声特性进行分析,并研究了孔径变化对二阶共振超表面吸声特性的影响规律;采用声电类比法推导出多阶共振超表面的等效声阻抗,并将二阶共振超表面等效成二自由度质量弹簧系统,通过系统固有频率和固有振型分量对多阶共振吸声机理进行深入分析。考虑到亥姆霍兹共振腔内空气的热黏性,在对多阶共振超表面的理论计算进行推导时,引入了等效密度和可压缩性的理论。通过对多单元耦合参数的精确平衡,设计了9个单元组成的低频宽带亚波长超表面吸收器,该超表面厚度为8cm,在310～1 560Hz的频带范围内具有连续优异的吸声特性,平均吸声系数高达90%以上。这项研究可为实现低频大宽带吸收提供一个新的思路,并在工程降噪中有潜在的应用前景。     

基于分形特征的DGS微带线传输特性分析

缺陷地结构(defected ground structure,DGS)微带线的电磁散射特性取决于缺陷图形的几何特征和导波媒质等因素,因此缺陷图形设计是DGS微波电路设计的关键因素之一。提出一种新颖的DGS微带线。通过有限元法对不同Hilbert曲线宽度和长度的DGS结构微带线进行计算,计算结果表明,该结构在0~9 GHz频段内表现出2.43 GHz和7.11 GHz这2个谐振频率,对应频率的通带反射损耗低于-15 dB,并且阻带特性在谐振频率处比传统DGS微带线有更高的Q值。当Hilbert曲线宽度固定为0.2 mm时,其谐振频率和对应频点的Q值均与曲线长度成反比,最大达123.75;当Hilbert曲线长度固定为1.0 mm时,其谐振频率与曲线宽度成正比,而对应频点的Q值与曲线长度成反比,最大达146。     

表面等离子体纳米腔的光学特性

应用边界元方法分析了表面等离子体纳米腔的光学特性.设计了两种结构的亚波长金属纳米腔,一种是由上下两片相对放置的有限厚的银板构成,并且在内边界上刻蚀了正弦周期结构;另外一种是在前一种的基础上,在内边界的中间刻蚀了直线缺陷结构.研究了光通过这两种结构的共振谱线.数值结果表明,随着正弦周期数的增加,共振波峰的数日也在增加.并且,当以共振波长入射时,腔内的场强相对入射场强提高了五六倍.当在纳米腔的中间引入缺陷时,束缚在纳米腔中的光场强度相对于中间没有缺陷结构时的光场强度要强.这一研究可对设计新型超小激光光源提供非常重要的数据.     

基于分形特征的DGS微带线传输特性分析

缺陷地结构(defected ground structure,DGS)微带线的电磁散射特性取决于缺陷图形的几何特征和导波媒质等因素,因此缺陷图形设计是DGS微波电路设计的关键因素之一.提出一种新颖的DGS微带线.通过有限元法对不同Hilbert曲线宽度和长度的DGS结构微带线进行计算,计算结果表明,该结构在0～9 GHz频段内表现出2.43 GHz和7.11 GHz这2个谐振频率,对应频率的通带反射损耗低于-15 dB,并且阻带特性在谐振频率处比传统DGS微带线有更高的Q值.当Hilbert曲线宽度固定为0.2 mm时,其谐振频率和对应频点的Q值均与曲线长度成反比,最大达123.75;当Hilbert曲线长度固定为1.0 mm时,其谐振频率与曲线宽度成正比,而对应频点的Q值与曲线长度成反比,最大达146.     

结构参数对三量子阱超晶格单元结构伏安特性的影响

通过数值求解非平衡态维格纳函数，研究了三量子阱（three-quantum-well）超晶格单元结构共振隧穿电流-电压特性，给出了量子阱结构参数变化对其伏安特性曲线的影响．     

Al-SiCp复合材料磨损表面分形维数的研究

旨在通过对SiCP增强Al基复合材料磨损表面的分形研究,更深入研究亚微米SiCP增强Al基复合材料的摩擦磨损特性与分形维数的关系。按照结构函数法,用MATLAB软件进行编程,得到复合材料双对数坐标图。研究标明,亚微米SiCP增强Al基复合材料的具有分形特性,且其分形维数与材料的磨损量有关,随着磨损量的增加,分形维数亦趋于增大。     

基于超材料的雷达吸波材料研究进展

雷达吸波材料能够有效地抑制透射波和反射波,因而被广泛应用于隐身、电磁屏蔽和兼容以及无线通信等领域。受制于材料的电磁频散特性,传统吸波材料的宽带低频吸波性能难以进一步提高。近年来,随着超材料结构设计的不断发展,基于超材料构架设计实现的宽带电磁吸波,由于具有更加灵活的电磁调控能力,因而在其电磁性能提升方面具有更大拓展空间。围绕雷达吸波超材料的最新研究进展,结合电磁吸波超材料的发展背景、设计原理和性能表征方面的内容,着重介绍了基于多谐振叠加吸波结构、超材料与传统材料复合吸波结构、三维阵列吸波结构以及人工表面等离激元吸波结构设计的宽带雷达吸波超材料,并对于未来雷达吸波超材料的发展趋势做进一步展望。     

亚波长铌酸锂薄膜导模共振结构设计及二次谐波转化效率优化

基于亚波长铌酸锂薄膜刻蚀导模共振超表面结构,理论模拟了超表面结构的光学响应特性,探讨了刻蚀微纳结构的周期、填充因子和刻蚀深度等参量对透射光谱的影响,同时研究了不同偏振态和入射角度的光源对光谱线宽的作用;利用非对称的光栅结构设计,使连续谱中的束缚态(bound states in the continuum, BIC)衰退为高Q值(>10 000)的准BIC模式;利用束缚态的局域场增强效应,将亚波长铌酸锂薄膜的二次谐波转化效率提升了5个数量级.模拟结果表明,当入射基频波的峰值功率密度在约1 GW/cm²量级时,可实现紫外波段二次谐波高效转化,即单次穿过亚波长铌酸锂薄膜后,出射的紫外波段二次谐波转化效率高达10^-3量级.这为提升微纳结构、光学表界面体系的非线性响应特性提供了思路和设计方案.