基于超表面的非对称传输与类电磁诱导透明研究

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电磁波与物质的相互作用会形成包括透射、反射、吸收等在内的散射现象。本文工作主要围绕超表面对电磁波透射谱的调控展开,重点研究基于超表面的非对称传输和类电磁诱导透明(Electromagnetically Induced Transparency-like,类EIT)效应。非对称传输是指电磁波从正、反两方向入射到物体后,表现出不同的透射响应;而类EIT效应则是在原本宽带吸收峰附近出现一个窄带透射峰。传统的非对称传输与EIT器件体积庞大,而且效率较低,因此限制了其应用范围。超表面(二维超材料)的出现为突破这些限制提供了一种新的解决方案,这主要是因为超表面由二维平面亚波长结构单元组成,并且其结构设计灵活,对电磁波具有独特的操控能力。基于超表面的非对称传输和类EIT器件可以避免传统非互易器件和慢光器件等需要额外添加辅助系统的问题,对促进非对称传输和类EIT器件在集成化和小型化方面具有重要意义。此外,这类器件在信号处理、单向传输和传感等领域具有广泛应用价值。本论文主要围绕超表面对电磁波透射特性的调控,深入开展了非对称传输以及类EIT等方面的研究。(1)在非对称传输方面,设计了一种基于电介质-金属组合超表面的非对称传输器。研究结果表明,在x偏振光正向入射情况下,在工作波长922 nm处对应一个透射率为0.70的共振峰;而当其反向入射时,该波长又正好对应一个透射率低至0.07的共振谷,由此在该波长处就形成了一个高对比度的非对称传输窗口。另外,由于该器件具有旋转对称性,因此其对任意线偏振光和圆偏振光均可实现非对称传输功能。此外,该器件还可以对线偏振光实现1:2(即,将一束光均分为两束光)的单向光分束功能,对圆偏振光可实现1:4(即,将一束光均分为四束光)的单向光分束功能。此外,还设计并制备了一种Z型互补手性超表面,其能同时实现线偏振光和圆偏振光的双带非对称传输。研究结果发现:该器件结构的手性特征以及结构内部的近场耦合作用对非对称传输起到了关键作用。该工作为非对称传输超表面的设计提供了一种新的思路。(2)在类EIT方面,设计并制作了一种能同时实现多窗口透明的超表面。应用Fano公式和电磁模式耦合理论揭示了每个透明窗口的共振类型及其产生机理。研究结果表明,该超表面支持的三个透明窗口分别对应不同的共振类型,依次为Fano共振、类EIT共振以及Lorentz共振。实验测试结果进一步验证了相关结论。不同共振类型具有不同的电磁响应特性,因此该器件有望应用于不同的场合。此外,还设计并制作了一种能同时实现类EIT和类EIR(Electromagnetically Induced Reflectance-like,类电磁诱导反射)效应的超表面。采用电磁模式耦合理论和电磁多极分解方法,深入分析了这两个窗口的形成原因;研究了器件在透射峰和反射峰处的群延时以及折射率传感性能,并对制作的超表面样品进行了实验测试,实验测试结果与理论仿真结果吻合很好。类EIT效应适用于透射空间,类EIR效应适用于反射空间,这种能同时实现类EIT和类EIR效应的超表面可以进一步拓展超表面的应用范围。(3)将非对称传输和类EIT效应相结合,进一步设计并制作了一种具有非对称类EIT效应的超表面。应用传输矩阵方法和模式耦合理论揭示了非对称类EIT效应产生的原因。相较于以往只能单独实现非对称传输、类EIT效应的超表面而言,本文设计的超表面可以同时实现上述两种功能,并且实验测试结果与仿真结果吻合较好。该超表面有望应用于单向滤波、传感以及光开关等器件中。
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