Babinet超表面设计及其在表面等离子激元调控中的应用

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表面等离子激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)是在金属与介质界面上的一种电子与光子混合激发态。由于SPPs的场约束依赖于金属表层电子与波的强烈相互作用,可以将光波束缚在远小于波长的范围内,从而突破衍射极限。SPPs能够操纵光在纳米尺度上的传播和发散,在光电器件的集成等领域具有巨大的应用潜力。超表面是一种亚波长尺寸的人工电磁表面,能够对光的相位、幅度、极化等特性进行灵活控制,对于控制SPPs的波前和传播具有重大的优势。然而,现有的超表面往往将周期性金属图案放置在介质基板上,与SPPs所依赖的金属基板不兼容,难以有效地支持SPPs的传播及调控。针对这一难点,本论文提出了一种基于Babinet原理的C形孔径金属超表面,通过改变孔径的几何参数,可以改变其SPPs的色散特性,从而实现对SPPs的灵活调控。与线型孔径超表面控制SPPs的方法不同,本论文所提出的C形孔径金属超表面,所激发SPPs的辐射场幅度不随旋转角度变化,在空间中均匀分布。通过选取合适的结构参数以及旋转角度,这种C型孔径金属超表面能够对不同极化入射波激发出不同的SPPs波前相位,从而调控SPPs的辐射方向。通过仿真验证,实现了 SPPs的定向传播、聚焦/发散等功能,为控制SPPs的激发与传播提供了新的思路。进一步,本文提出了一种基于可重构超表面的微波吸波器件。通过将不同的直流偏置电压施加于内嵌在单元结构中的变容二极管两端,进而实现对每个单元结构电磁响应的独立调控。将超表面等效成天线阵列,针对不同入射电磁波优化出相应的超表面空间相位矩阵,可以实现异常反射、隐身和吸波等功能。这种结构设计简单、易于加工、可集成性高,在调控电磁波方面具有重要应用价值。
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