超表面與超材料介紹

1、UESTC,超材料與超表面,UESTC,一、緒論 1、傳統(tǒng)的光學元件 原理：光波的折射和反射（對入射光進行調(diào)制）。 實現(xiàn)：工作光波前的聚焦、成像、分色等光學功能。 通過光程的積累來實現(xiàn)相位的改變，因此，相位變化與光學元件的厚度成正比。 2、第2代光學元件:衍射光學元件 原理：光波的衍射理論 通過：計算機輔助設計和超大規(guī)模集成電路技術，在片基上刻蝕出深淺不一的特定浮雕結構 實質上還是光程的積累，其變薄的秘訣在于摒棄了光學元件中冗余的2相位。 3、第3代光學元件：平板光學元件 實現(xiàn)：渦旋光束、寬帶光彎曲、雙偏振金屬透鏡以及平板軸錐鏡實驗,UESTC,二、超表面 1、新型人工電磁材料 將具有特定幾何

2、形狀的亞波長宏觀基本單元周期性或非周期性地排列所構成的人工材料。 就是用有序的人造單元“粒子”代替自然界材料的分子或原子等基本粒子，所組成一種等效材料 2、超表面 一種基于廣義斯涅爾定律，通過控制波前相位、振幅以及偏振進行電磁/光學波束調(diào)控的新結構。 是一種超薄二維陣列平面，由超材料結構單元組成，它可以靈活有效的操縱電磁波的相位、極化方式、傳播模式等特性,UESTC,2011 年，Capasso 課題組首先提出超表面來拓展斯涅耳定律，并設計結構的V型天線陣列的超表面結構提供梯度的相位突變漸變,相鄰天線之間相差/4相位,UESTC,三、新型電磁器件設計的基本理論 3.1變換光學理論 光學變換：就

3、是一個廣義的坐標變換或者稱為空間變換。變換前的空間稱之為虛擬空間，一般假設為真空，而變換后的空間叫做物理空間，通常就是我們設計的器件放置的空間。只要選擇合適的變換函數(shù)，就可以將虛擬空間中的部分區(qū)域變換為物理空間中對應的區(qū)域。 3.2幾何光學理論 幾何光學是研究電磁理論在波長趨近于零時情況的一門科學，是一種波動光學的近似理論。 直線傳播定律、獨立傳播定律、反射和折射定律,UESTC,3.3、費馬原理 具體內(nèi)容為：光在任意介質中從一點傳播到另一點時，沿所需時間最短的路徑傳播。又稱最小時間原理或極短光程原理。 傳播方向是沿著光程 取極值的方向。 對于光波：光程的變化體現(xiàn)在相位的變化中，傳播光波的相位

4、變化取極值,UESTC,3.4、廣義斯奈爾定理 超表面相位突變的引入，表現(xiàn)為兩種介質交界面的相位不連續(xù)性。 假設兩路徑無限接近真實光路 ，則它們之間的相位差為0。 廣義的斯奈爾定律,UESTC,折射光線可以擁有任意的方向 如果交界面處的相位梯度設計為常數(shù) 垂直入射也可以有折射角，也可以用惠更斯原理解釋 相位不連續(xù)引起的奇異電磁現(xiàn)象和通過操作龐大的人工電磁超材料獲得 的奇異電磁現(xiàn)象之間存在著本質的差異： 后者一般是通過負介電常數(shù)、負磁導率材料或者在沿著或垂直表面方向引入具有不同介電常數(shù)張量特征的各向異性的介電常數(shù)來實現(xiàn)，通常情況下比較復雜并難以操作,UESTC,四、應用 4.1均勻型電磁超表面高

5、阻抗表面結構 亞波長金屬結構/介質層/金屬底板組成的三明治結構,UESTC,在共振頻率附近高阻抗表面對電磁波的阻抗非常高，因此會將電磁波 完全反射 高阻抗表面在不同頻率下具有反射相位 均勻型電磁超表面偏振調(diào)控超表面,UESTC,4.2、梯度超表面實現(xiàn)高效表面波耦合 1、首次提出利用梯度超表面實現(xiàn)高效表面波耦合的全新概念 分析發(fā)現(xiàn)：滿足 ，系統(tǒng)的反射相位滿足線性分布。 當 k0時，入射的傳播波被完美地 轉化為表面波,UESTC,4.2、梯度超表面實現(xiàn)高效表面波耦合 2、要實現(xiàn)線性反射相位分布 可以選擇M(x) = const ，M(x) 或 M(x)，M(x) = const 的梯度超表面，結 構 單 元