掃一掃
關注中圖網(wǎng)
官方微博
本類五星書更多>
-
>
宇宙、量子和人類心靈
-
>
氣候文明史
-
>
南極100天
-
>
考研數(shù)學專題練1200題
-
>
希格斯:“上帝粒子”的發(fā)明與發(fā)現(xiàn)
-
>
神農(nóng)架疊層石:10多億年前遠古海洋微生物建造的大堡礁
-
>
聲音簡史
光學和聲學超材料與超表面 版權信息
- ISBN：9787030720795
- 條形碼：9787030720795 ; 978-7-03-072079-5
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數(shù)：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
光學和聲學超材料與超表面 本書特色
本書可供光學、光學工程等專業(yè)的高年級本科生，研究生以及本專業(yè)的科研人員使用和參考。
光學和聲學超材料與超表面 內(nèi)容簡介
超材料（Metamaterials）是一種人工結構的材料，通過設計不同的單元結構，使其對外加電磁場產(chǎn)生相應的響應，原理上可以得到任意大小的介電常數(shù)和磁導率。超材料的設計思想突破了人們對傳統(tǒng)材料的固有認識，展現(xiàn)出許多奇異的電磁行為。我們組從2001年開始相關研究，是國內(nèi)*早開展超材料研究的團隊之一。本書總結了我們組已經(jīng)發(fā)表的300多篇研究論文和70余項發(fā)明，主要介紹了光學、聲學超材料結構設計與制備、基本行為及負折射、光捕獲、超表面吸收器在隱身領域的應用和光學、聲學超表面器件的性能。
光學和聲學超材料與超表面 目錄
目錄
前言
上篇 由下向上制備光學超材料與超表面
第1章 光學超材料與超表面概述 3
1.1 光學超材料設計 3
1.2 光學超材料新物理特性 5
1.2.1 負折射效應 5
1.2.2 完美成像超棱鏡 8
1.2.3 光學隱身斗篷 9
1.3 光學超材料制備 11
1.3.1 “自上而下”刻蝕技術 11
1.3.2 “自下而上”電化學方法 13
1.4 光學超表面 14
1.4.1 光學超表面設計原理 14
1.4.2 光學超表面特征 16
1.5 光學超表面實現(xiàn) 17
1.5.1 Pancharatnam-Berry相位不連續(xù) 17
1.5.2 間隙模式引起的相位不連續(xù) 18
1.5.3 惠更斯超表面 19
1.5.4 超透射陣列超表面 19
1.5.5 雙層光學超表面 20
1.6 光學超表面應用 21
1.6.1 光束偏轉器與超透鏡 21
1.6.2 光學偏振控制器 23
1.6.3 消色差光學超表面 25
1.7 光學超表面的問題與展望 26
1.7.1 超表面中的損耗 26
1.7.2 光學超表面展望 26
參考文獻 27
第2章 樹枝結構紅外和可見光超材料 38
2.1 雙模板法制備樹枝結構超材料 38
2.1.1 制備流程 38
2.1.2 周期性多孔氧化鋅模板制備 39
2.1.3 紅外銀樹枝結構超材料 42
2.1.4 紅外銀樹枝結構性質 48
2.1.5 可見光銀樹枝結構性質 51
2.2 電沉積法制備銅樹枝結構超材料 55
2.2.1 紅外銅樹枝負磁導率材料 55
2.2.2 紅外銅樹枝結構超材料 64
2.3 電沉積法制備銀樹枝超材料 69
2.3.1 點電極電沉積法 69
2.3.2 平板電極電沉積法 76
2.4 紅外樹枝結構超材料 90
2.4.1 制備流程 90
2.4.2 結果與討論 93
2.5 可見光樹枝結構超材料 99
2.5.1 實驗制備 99
2.5.2 結果與討論 101
2.6 空間光譜分離現(xiàn)象 103
2.6.1 緒言 103
2.6.2 超材料楔形光波導制備 103
2.6.3 楔形光波導結果與討論 104
2.6.4 普通楔形光波導制備與測試 106
2.7 柔性基底樹枝結構超材料 107
2.7.1 柔性基底樹枝超材料制備 107
2.7.2 光學特性測試 110
參考文獻 112
第3章 準周期漁網(wǎng)結構超材料 118
3.1 引言 118
3.2 理論和仿真分析 119
3.2.1 理論模型 119
3.2.2 仿真計算S參數(shù) 120
3.2.3 反演計算有效介質參數(shù) 121
3.2.4 非對稱引起的損耗 123
3.2.5 摻雜增益介質降低損耗 124
3.3 金屬銀雙漁網(wǎng)結構制備 125
3.3.1 制備流程 125
3.3.2 二維PS膠體晶體制備 126
3.3.3 金屬銀網(wǎng)格結構制備 132
3.3.4 雙漁網(wǎng)結構制備與表征 138
3.4 雙漁網(wǎng)結構光學性質 139
3.4.1 樣品可見光透射譜 139
3.4.2 等效介質參數(shù) 140
3.4.3 透射增強現(xiàn)象 142
3.4.4 RhB物理機理 144
3.5 超材料吸收器 146
3.5.1 銀網(wǎng)格吸收器 146
3.5.2 折射率傳感器 148
3.5.3 雙漁網(wǎng)結構多頻吸收器模型 150
3.5.4 樹枝超材料吸收器 152
參考文獻 159
第4章 納米顆粒組裝超材料 163
4.1 引言 163
4.2 銀樹枝狀顆粒單層組裝超材料 163
4.2.1 制備流程 163
4.2.2 制備方法 164
4.2.3 超材料透射性質 170
4.2.4 超材料平板聚焦 171
4.3 銀樹枝顆粒多層組裝三維超材料 174
4.3.1 制備工藝流程 174
4.3.2 制備方法與表征 174
4.3.3 可見光透射特性 180
4.3.4 平板聚焦效應 181
4.4 樹枝狀金納米顆粒組裝超材料 183
4.4.1 樣品制備及形貌表征 183
4.4.2 光透射特性 184
4.4.3 平板聚焦 185
4.5 花朵形銀納米顆粒超材料 186
4.5.1 樣品制備 186
4.5.2 透射性質 189
4.5.3 平板聚焦 190
4.6 樹枝狀PAMAM與銀納米顆粒復合物 191
4.6.1 PAMAM基銀復合物超材料 191
4.6.2 PAMAM基納米銀薄膜微觀結構 198
4.6.3 聚焦結果 201
4.6.4 PAMAM納米銀薄膜光自旋霍爾效應 202
4.7 其他形貌銀顆粒 206
4.7.1 F127保護劑制備樹枝狀銀微米粒子 206
4.7.2 片狀銀納米粒子制備 206
4.7.3 多孔狀銀微米粒子 208
參考文獻 209
第5章 拓撲結構超材料 211
5.1 引言 211
5.2 超簇結構設計及仿真結果 211
5.2.1 結構模型 211
5.2.2 紅光波段光學響應 213
5.2.3 綠光波段光學響應 220
5.2.4 準周期超材料結構設計 221
5.3 球刺狀超材料性質 223
5.3.1 樣品的制備及表征 223
5.3.2 樣品透射性質 230
5.4 球刺狀超材料光學性能 233
5.4.1 負折射測試 233
5.4.2 位移 237
5.4.3 彩虹捕獲效應 244
5.4.4 反常多普勒效應 249
參考文獻 258
第6章 樹枝結構超表面 263
6.1 引言 263
6.2 樹枝超表面制備 264
6.2.1 制備流程 264
6.2.2 單層銀樹枝超表面 264
6.2.3 雙層銀樹枝超表面 269
6.3 樹枝超表面性質 271
6.3.1 紅外波段超表面 271
6.3.2 可見光波段超表面 274
6.3.3 超表面聚焦效應測試 279
6.4 可見光波段超表面操控微分運算 283
6.4.1 設計原理 284
6.4.2 微分性質仿真計算 287
6.4.3 微分性質實驗測試 288
參考文獻 292
第7章 超表面反常光學行為 296
7.1 樹枝超表面反常GH位移 296
7.1.1 GH位移與負GH位移 296
7.1.2 GH位移測量 297
7.2 樹枝超表面彩虹捕獲效應 301
7.2.1 彩虹捕獲概念 301
7.2.2 超表面楔形波導實現(xiàn)彩虹捕獲 302
7.2.3 楔形波導出射光功率 306
7.3 超表面偏振轉換 308
7.3.1 樹枝單元結構與模擬 308
7.3.2 超表面偏振轉換實驗 312
7.3.3 反射模式超表面偏振轉換 316
7.4 準周期樹枝簇集超表面反常光自旋霍爾效應 321
7.4.1 光自旋霍爾效應概論 321
7.4.2 準周期樹枝簇集超表面設計與制備 324
7.4.3 超表面反常光自旋霍爾效應實驗 329
參考文獻 333
下篇 超原子和超分子構筑聲學超材料與超表面
第8章 聲學超材料與超表面概述 339
8.1 聲學超材料 339
8.2 負參數(shù)聲學超材料 340
8.2.1 負質量密度 340
8.2.2 負彈性模量 343
8.2.3 雙負聲學超材料 346
8.3 聲學超材料的新物理特性 349
8.3.1 負折射及聚焦 349
8.3.2 倏逝波放大及亞波長成像 351
8.3.3 完美聲吸收 354
8.3.4 反常多普勒效應 355
8.3.5 變換聲學及隱身斗篷 356
8.3.6 聲反常透射和聲波準直器件 359
8.3.7 聲學超材料其他應用 360
8.4 聲學超表面 363
8.4.1 反常反射現(xiàn)象 363
8.4.2 反常透射現(xiàn)象 366
8.4.3 平板超棱鏡 368
8.4.4 其他奇異效應 370
參考文獻 371
第9章 聲學超原子模型 380
9.1 引言 380
9.2 負彈性模量超原子 381
9.2.1 模型 381
9.2.2 一維負彈性模量聲學超材料 383
9.2.3 二維負彈性模量聲學超材料 392
9.3 負質量密度超原子 399
9.3.1 模型分析 399
9.3.2 負質量密度超材料 401
9.4 雙負超原子復合超材料 406
參考文獻 410
第10章 超分子聲學超材料 414
10.1 引言 414
10.2 超分子模型 415
10.3 低頻超分子雙負聲學超材料 416
10.3.1 實驗測試 416
10.3.2 等效模量計算 418
10.3.3 平板聚焦效應 419
10.3.4 亞波長超分辨成像效應 422
10.4 高頻超分子雙負聲學超材料 423
10.4.1 樣品制備 423
10.4.2 實驗測試及結果分析 425
10.4.3 等效參數(shù) 427
10.4.4 負折射實驗 429
10.4.5 平板聚焦效應 430
10.4.6 反常多普勒效應 431
參考文獻 434
第11章 超原子簇與超分子簇聲學超材料 437
11.1 引言 437
11.2 負彈性模量超原子簇超材料 437
11.2.1 開口空心球超材料性質 437
11.2.2 多頻與寬頻負彈性模量超材料 445
11.2.3 多層結構的多頻超材料 452
11.2.4 對開口空心球寬頻超材料 458
11.3 負質量密度超原子簇超材料 464
11.3.1 單頻聲學超材料 464
11.3.2 寬頻聲學超材料 468
11.3.3 反常多普勒效應 474
11.4 超分子簇雙負聲學超材料 476
11.4.1 基于不同管長的寬頻超材料 476
11.4.2 基于不同側孔口徑的寬頻超材料 480
11.4.3 兩種調制方式組合的寬頻效應 483
11.5 超分子簇集寬頻超材料 484
11.5.1 理論模型 485
11.5.2 透反射性質 487
11.5.3 負折射實驗驗證 490
11.5.4 反常多普勒效應 492
參考文獻 497
第12章
前言
上篇 由下向上制備光學超材料與超表面
第1章 光學超材料與超表面概述 3
1.1 光學超材料設計 3
1.2 光學超材料新物理特性 5
1.2.1 負折射效應 5
1.2.2 完美成像超棱鏡 8
1.2.3 光學隱身斗篷 9
1.3 光學超材料制備 11
1.3.1 “自上而下”刻蝕技術 11
1.3.2 “自下而上”電化學方法 13
1.4 光學超表面 14
1.4.1 光學超表面設計原理 14
1.4.2 光學超表面特征 16
1.5 光學超表面實現(xiàn) 17
1.5.1 Pancharatnam-Berry相位不連續(xù) 17
1.5.2 間隙模式引起的相位不連續(xù) 18
1.5.3 惠更斯超表面 19
1.5.4 超透射陣列超表面 19
1.5.5 雙層光學超表面 20
1.6 光學超表面應用 21
1.6.1 光束偏轉器與超透鏡 21
1.6.2 光學偏振控制器 23
1.6.3 消色差光學超表面 25
1.7 光學超表面的問題與展望 26
1.7.1 超表面中的損耗 26
1.7.2 光學超表面展望 26
參考文獻 27
第2章 樹枝結構紅外和可見光超材料 38
2.1 雙模板法制備樹枝結構超材料 38
2.1.1 制備流程 38
2.1.2 周期性多孔氧化鋅模板制備 39
2.1.3 紅外銀樹枝結構超材料 42
2.1.4 紅外銀樹枝結構性質 48
2.1.5 可見光銀樹枝結構性質 51
2.2 電沉積法制備銅樹枝結構超材料 55
2.2.1 紅外銅樹枝負磁導率材料 55
2.2.2 紅外銅樹枝結構超材料 64
2.3 電沉積法制備銀樹枝超材料 69
2.3.1 點電極電沉積法 69
2.3.2 平板電極電沉積法 76
2.4 紅外樹枝結構超材料 90
2.4.1 制備流程 90
2.4.2 結果與討論 93
2.5 可見光樹枝結構超材料 99
2.5.1 實驗制備 99
2.5.2 結果與討論 101
2.6 空間光譜分離現(xiàn)象 103
2.6.1 緒言 103
2.6.2 超材料楔形光波導制備 103
2.6.3 楔形光波導結果與討論 104
2.6.4 普通楔形光波導制備與測試 106
2.7 柔性基底樹枝結構超材料 107
2.7.1 柔性基底樹枝超材料制備 107
2.7.2 光學特性測試 110
參考文獻 112
第3章 準周期漁網(wǎng)結構超材料 118
3.1 引言 118
3.2 理論和仿真分析 119
3.2.1 理論模型 119
3.2.2 仿真計算S參數(shù) 120
3.2.3 反演計算有效介質參數(shù) 121
3.2.4 非對稱引起的損耗 123
3.2.5 摻雜增益介質降低損耗 124
3.3 金屬銀雙漁網(wǎng)結構制備 125
3.3.1 制備流程 125
3.3.2 二維PS膠體晶體制備 126
3.3.3 金屬銀網(wǎng)格結構制備 132
3.3.4 雙漁網(wǎng)結構制備與表征 138
3.4 雙漁網(wǎng)結構光學性質 139
3.4.1 樣品可見光透射譜 139
3.4.2 等效介質參數(shù) 140
3.4.3 透射增強現(xiàn)象 142
3.4.4 RhB物理機理 144
3.5 超材料吸收器 146
3.5.1 銀網(wǎng)格吸收器 146
3.5.2 折射率傳感器 148
3.5.3 雙漁網(wǎng)結構多頻吸收器模型 150
3.5.4 樹枝超材料吸收器 152
參考文獻 159
第4章 納米顆粒組裝超材料 163
4.1 引言 163
4.2 銀樹枝狀顆粒單層組裝超材料 163
4.2.1 制備流程 163
4.2.2 制備方法 164
4.2.3 超材料透射性質 170
4.2.4 超材料平板聚焦 171
4.3 銀樹枝顆粒多層組裝三維超材料 174
4.3.1 制備工藝流程 174
4.3.2 制備方法與表征 174
4.3.3 可見光透射特性 180
4.3.4 平板聚焦效應 181
4.4 樹枝狀金納米顆粒組裝超材料 183
4.4.1 樣品制備及形貌表征 183
4.4.2 光透射特性 184
4.4.3 平板聚焦 185
4.5 花朵形銀納米顆粒超材料 186
4.5.1 樣品制備 186
4.5.2 透射性質 189
4.5.3 平板聚焦 190
4.6 樹枝狀PAMAM與銀納米顆粒復合物 191
4.6.1 PAMAM基銀復合物超材料 191
4.6.2 PAMAM基納米銀薄膜微觀結構 198
4.6.3 聚焦結果 201
4.6.4 PAMAM納米銀薄膜光自旋霍爾效應 202
4.7 其他形貌銀顆粒 206
4.7.1 F127保護劑制備樹枝狀銀微米粒子 206
4.7.2 片狀銀納米粒子制備 206
4.7.3 多孔狀銀微米粒子 208
參考文獻 209
第5章 拓撲結構超材料 211
5.1 引言 211
5.2 超簇結構設計及仿真結果 211
5.2.1 結構模型 211
5.2.2 紅光波段光學響應 213
5.2.3 綠光波段光學響應 220
5.2.4 準周期超材料結構設計 221
5.3 球刺狀超材料性質 223
5.3.1 樣品的制備及表征 223
5.3.2 樣品透射性質 230
5.4 球刺狀超材料光學性能 233
5.4.1 負折射測試 233
5.4.2 位移 237
5.4.3 彩虹捕獲效應 244
5.4.4 反常多普勒效應 249
參考文獻 258
第6章 樹枝結構超表面 263
6.1 引言 263
6.2 樹枝超表面制備 264
6.2.1 制備流程 264
6.2.2 單層銀樹枝超表面 264
6.2.3 雙層銀樹枝超表面 269
6.3 樹枝超表面性質 271
6.3.1 紅外波段超表面 271
6.3.2 可見光波段超表面 274
6.3.3 超表面聚焦效應測試 279
6.4 可見光波段超表面操控微分運算 283
6.4.1 設計原理 284
6.4.2 微分性質仿真計算 287
6.4.3 微分性質實驗測試 288
參考文獻 292
第7章 超表面反常光學行為 296
7.1 樹枝超表面反常GH位移 296
7.1.1 GH位移與負GH位移 296
7.1.2 GH位移測量 297
7.2 樹枝超表面彩虹捕獲效應 301
7.2.1 彩虹捕獲概念 301
7.2.2 超表面楔形波導實現(xiàn)彩虹捕獲 302
7.2.3 楔形波導出射光功率 306
7.3 超表面偏振轉換 308
7.3.1 樹枝單元結構與模擬 308
7.3.2 超表面偏振轉換實驗 312
7.3.3 反射模式超表面偏振轉換 316
7.4 準周期樹枝簇集超表面反常光自旋霍爾效應 321
7.4.1 光自旋霍爾效應概論 321
7.4.2 準周期樹枝簇集超表面設計與制備 324
7.4.3 超表面反常光自旋霍爾效應實驗 329
參考文獻 333
下篇 超原子和超分子構筑聲學超材料與超表面
第8章 聲學超材料與超表面概述 339
8.1 聲學超材料 339
8.2 負參數(shù)聲學超材料 340
8.2.1 負質量密度 340
8.2.2 負彈性模量 343
8.2.3 雙負聲學超材料 346
8.3 聲學超材料的新物理特性 349
8.3.1 負折射及聚焦 349
8.3.2 倏逝波放大及亞波長成像 351
8.3.3 完美聲吸收 354
8.3.4 反常多普勒效應 355
8.3.5 變換聲學及隱身斗篷 356
8.3.6 聲反常透射和聲波準直器件 359
8.3.7 聲學超材料其他應用 360
8.4 聲學超表面 363
8.4.1 反常反射現(xiàn)象 363
8.4.2 反常透射現(xiàn)象 366
8.4.3 平板超棱鏡 368
8.4.4 其他奇異效應 370
參考文獻 371
第9章 聲學超原子模型 380
9.1 引言 380
9.2 負彈性模量超原子 381
9.2.1 模型 381
9.2.2 一維負彈性模量聲學超材料 383
9.2.3 二維負彈性模量聲學超材料 392
9.3 負質量密度超原子 399
9.3.1 模型分析 399
9.3.2 負質量密度超材料 401
9.4 雙負超原子復合超材料 406
參考文獻 410
第10章 超分子聲學超材料 414
10.1 引言 414
10.2 超分子模型 415
10.3 低頻超分子雙負聲學超材料 416
10.3.1 實驗測試 416
10.3.2 等效模量計算 418
10.3.3 平板聚焦效應 419
10.3.4 亞波長超分辨成像效應 422
10.4 高頻超分子雙負聲學超材料 423
10.4.1 樣品制備 423
10.4.2 實驗測試及結果分析 425
10.4.3 等效參數(shù) 427
10.4.4 負折射實驗 429
10.4.5 平板聚焦效應 430
10.4.6 反常多普勒效應 431
參考文獻 434
第11章 超原子簇與超分子簇聲學超材料 437
11.1 引言 437
11.2 負彈性模量超原子簇超材料 437
11.2.1 開口空心球超材料性質 437
11.2.2 多頻與寬頻負彈性模量超材料 445
11.2.3 多層結構的多頻超材料 452
11.2.4 對開口空心球寬頻超材料 458
11.3 負質量密度超原子簇超材料 464
11.3.1 單頻聲學超材料 464
11.3.2 寬頻聲學超材料 468
11.3.3 反常多普勒效應 474
11.4 超分子簇雙負聲學超材料 476
11.4.1 基于不同管長的寬頻超材料 476
11.4.2 基于不同側孔口徑的寬頻超材料 480
11.4.3 兩種調制方式組合的寬頻效應 483
11.5 超分子簇集寬頻超材料 484
11.5.1 理論模型 485
11.5.2 透反射性質 487
11.5.3 負折射實驗驗證 490
11.5.4 反常多普勒效應 492
參考文獻 497
第12章
展開全部
光學和聲學超材料與超表面 節(jié)選
上篇 由下向上制備光學超材料與超表面 第1章光學超材料與超表面概述 1.1光學超材料設計 光學超材料是21世紀初出現(xiàn)的新型人工設計的光學結構材料，在光頻段(紅外和可見光波段)內(nèi)，其具備許多異于天然材料性質的新奇特性。20世紀60年代超材料(metamaterials)的理論概念被提出來，在隨后的30多年里并未引起太大的關注。直到2001年前后，人工超材料首次在微波段實現(xiàn)負折射，引起科學界的極大響應。進一步通過一系列不同的實驗(如楔形棱鏡實驗、波束平移實驗、波束匯聚實驗和“T”形波導實驗等)證實了人工超材料實現(xiàn)負折射是完全可行的。此后引發(fā)了超材料領域的研究熱潮，各種各樣的超材料構型被設計出來，同時負折射率的響應頻率也逐漸從微波段不斷向高頻發(fā)展，實現(xiàn)對光頻段電磁波響應的光學超材料。 根據(jù)有效介質理論，超材料結構的電磁諧振同時在某一頻段內(nèi)實現(xiàn)負電容率和負磁導率是實現(xiàn)負折射率的主要思路。通常由亞波長金屬桿的電諧振來實現(xiàn)負電容率，而亞波長的金屬開口環(huán)是實現(xiàn)磁諧振的基本模型。后來的超材料設計就是在這兩種設計的基礎上，使環(huán)桿結構不斷通過變形和簡化來實現(xiàn)各種幾何構型的超材料結構。起初是設計兩種結構分別實現(xiàn)電諧振和磁諧振，再把二者組合起來實現(xiàn)負折射率；后來逐漸地把兩種結構簡化為同時實現(xiàn)電諧振和磁諧振的單一模型結構。圖1-1展示了一些常見的二維(2D)超材料結構的設計，如圖1-1(a)雙S型結構、圖1-1(b)雙Ω型結構、圖1-1(c)“H”字型結構、圖1-1(d)迷宮狀多環(huán)結構、圖1-1(e)長短線對結構、圖1-1(f)類似浮雕圖像的無序結構，這些結構單元的尺寸處于毫米量級，都是在微波段響應的；后來通過不斷縮小結構單元的幾何尺寸，把超材料的負折射率響應頻率不斷向高頻推進，如圖1-1(g)短線對結構、圖1-1(h)雙漁網(wǎng)結構[17]是紅外波段的經(jīng)典模型，它們的結構單元的尺寸已減小到微米量級。我們課題組設計和制備了微波段和紅外波段響應的樹枝狀超材料結構，如圖1-1(i)所示。此外還有依靠巴比涅原理設計的一些超材料結構，以及手性超材料結構。 超材料主要靠電磁諧振來實現(xiàn)負折射率，其中產(chǎn)生負電容率的電諧振通常在各個電磁頻譜是比較容易實現(xiàn)的，它可以來源于金屬等離子體諧振或者金屬中偶極子電流的諧振，而且產(chǎn)生負電容率的頻率范圍比較寬；而產(chǎn)生負磁導率的磁諧振卻不易實現(xiàn)，并且產(chǎn)生的負磁導率范圍相當窄。前面已經(jīng)敘述自然界中的天然材料很容易響應電磁波的電場分量，紅外和可見光波段的負電容率是可以自然存在的；而磁響應卻具有高頻截止性，絕大多數(shù)材料的磁響應一般在微波段就幾乎消失了。造成這種不平衡的主要原因是材料磁極化源于分子環(huán)流或者未成對電子的自旋。因而磁響應主要發(fā)生在很低的頻段，雖然極少數(shù)天然材料(如鐵磁性和反鐵磁性材料)能在太赫茲以及更高頻率的光頻段發(fā)生磁響應，但這是非常弱的，而且是窄頻，這極大地限制了光頻磁性材料的發(fā)展。因此要把超材料不斷地向高頻(光頻)發(fā)展，主要是設計人工磁諧振結構(如開口諧振環(huán)(SRR))不斷地把磁諧振向光頻發(fā)展，采用的方式是把超材料的基本諧振單元的尺寸不斷地按比例縮小。但是僅僅通過縮小單元結構的尺寸不能把磁響應一直提升到光頻，這是因為縮小結構的尺寸與頻率的提升不是呈線性變化的。因此在縮小結構單元尺寸的同時，還需要不斷地改進結構單元的幾何構型。通過縮小*原始的金屬線和開口諧振環(huán)結構也能使電磁響應向光頻發(fā)展，但是卻不能無限制地提高，*高頻率也只能達到遠紅外范圍。因此需要對原始的諧振結構不斷進行改善，才能向光頻發(fā)展。 圖1-2(a)是采用*簡單的單開口諧振環(huán)代替微波段響應的雙開口諧振環(huán)，可以把磁響應頻率提升到100THz。隨后又有文獻繼續(xù)討論過多開口諧振的磁諧振可以繼續(xù)提高磁諧振到更高的頻段，但是樣品不容易制備。圖1-2(b)是進一步把單開口環(huán)改變?yōu)閁形環(huán)，在外場下激發(fā)的U形振蕩電流可以把磁諧振推進至200THz[37]。圖1-2(c)是把U形環(huán)的下端金屬部分去掉，轉變?yōu)槎叹對結構，在近紅外波長1μm附近實現(xiàn)了負的磁導率。當金屬線中振蕩電流的頻率高于外界電磁場頻率時，短線對中的電流方向的變化是一致的；當振蕩電流的頻率低于外界電磁場頻率時，電流的變化已經(jīng)跟不上電磁場的變化而出現(xiàn)滯后，二者變成反向電流，產(chǎn)生的磁矩與外磁場方向相反，當強度夠大時就產(chǎn)生負的磁導率。圖1-2(d)是進一步設計的雙漁網(wǎng)結構，它的電、磁諧振產(chǎn)生的負電容率和負磁導率能夠在同一頻率范圍內(nèi)重合，產(chǎn)生的負折射率響應已經(jīng)可以上升到可見光波段。雙漁網(wǎng)結構*先由Zhang等提出，接著他們又通過仿真分析對這種結構進行優(yōu)化設計。由于這種結構非常簡單而且高度對稱，比較容易加工，因此得到廣泛的研究，并且也發(fā)展了一些變體結構，它們是光學超材料模型的典型設計。 1.2光學超材料新物理特性 1.2.1負折射效應 隨著Pendry與Smith等開創(chuàng)性工作的報道，接著就有許多相關研究結果陸續(xù)發(fā)表，超材料的研究開始進入快速發(fā)展階段。2002年，Kong提出了一種在微帶技術中利用人造集總元件加載傳輸線來實現(xiàn)負折射率超材料的方法。Cubukcu等提出利用二維光子晶體可以實現(xiàn)電磁波在光子晶體中的負折射現(xiàn)象。美國的Parazzoli與加拿大的Eleftheriades分別報道了在實驗中直接觀測到的負折射Snell定律，在12.6～13.2GHz頻率范圍內(nèi)測得折射率為－1.05，再次指出超材料的負折射率為入射波頻率的函數(shù)。 為了在光頻段(紅外和可見光波段)實現(xiàn)負折射效應，Valentine等設計了一種梯度的“漁網(wǎng)”結構超材料，如圖1-3(a)中所示為樣品結構示意圖及掃描電鏡(SEM)照片，他們設計的多層級聯(lián)的“漁網(wǎng)”結構，在垂直方向上，相應尺寸的單元格層層增加，呈現(xiàn)梯度分布。利用這種光頻的負折射率超材料設計制作一個棱鏡，如圖1-3(b)所示。他們通過實驗演示了**個光頻的三維(3D)負折射率超材料棱鏡，并在自由空間中直接測量了負折射率。如圖1-3(c)所示，在入射光波長為1763nm時實現(xiàn)了折射率n=－1.4。這種“漁網(wǎng)”超材料在垂直方向上的周期大約為二十分之一波長(λ/20)，棱鏡樣品橫向尺寸約為10μm。他們所提出的三維光學超材料，使得探索零或負折射率光學現(xiàn)象成為可能，也為縮小光子學和成像設備做出了極大的貢獻。 同年，Yao等提出了另一種實現(xiàn)可見光負折射的超材料。這種超材料是將銀納米線嵌在多孔氧化鋁內(nèi)構成的，圖1-4(a)所示為這種Al2O3/Ag復合超材料結構的示意圖，插圖為這種復合結構側視及俯視掃描電鏡照片，利用這種復合超材料結構可以使可見的660nm紅光出現(xiàn)負折射現(xiàn)象，這也是**次在可見光波段實現(xiàn)負折射現(xiàn)象。由圖1-4(b)可以看到在紅外波段780nm處也出現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象。以上兩種不同方法制備的超材料都在寬帶范圍內(nèi)實現(xiàn)了負折射效應，極大推動了超材料向實際應用的發(fā)展。 1.2.2完美成像超棱鏡 通過負折射率超材料實現(xiàn)“完美透鏡”效應，*早在2000年由Pendry教授提出，指出由超材料制成的平板透鏡可以將倏逝波轉換為傳播波，實現(xiàn)突破衍射極限的超分辨成像。傳統(tǒng)的光學透鏡受到光波長的限制，尺寸比較大。而利用負折射率的平板超材料，可以形成在光線傳播方向上尺寸很小的超透鏡。 2005年，F(xiàn)ang等使用銀制備了光頻的超透鏡，超透鏡結構如圖1-5(a)所示。作者利用一個銀薄片復合結構，在365nm波長通過光刻材料記錄了小于衍射極限的圖像，成像精度達到60nm，這大約為波長的六分之一(λ/6)，遠低于衍射極限。利用銀超透鏡的表面等離子體激發(fā)，在近場條件下顯著提高了圖像分辨率。 另一組研究者使用類似的銀復合結構證實了銀膜中的超透鏡效應，銀超級透鏡的理念隨后發(fā)展到許多包含銀的多層結構中。一年后，研究者利用低損耗的SiC材料超透鏡的光子共振增強，在中紅外頻率的特征波長實現(xiàn)了更好的超分辨率(λ/20)。如圖1-6所示，作者利用440nm厚的SiC超透鏡，成功地將間距遠小于波長的圓孔分辨開。以當時的技術條件，制造在兩側具有光滑表面的超高分辨率透鏡，仍然具有較大的挑戰(zhàn)，盡管相對粗糙的表面不利于表面共振增強，但是前述的這些光學超透鏡實驗，清楚地展示了突破衍射極限成像的可行性。
光學和聲學超材料與超表面 作者簡介
趙曉鵬，1957年生于陜西榆林，1979年畢業(yè)于蘭州大學物理系，1995年獲中國科學院金屬研究所工學博士學位。現(xiàn)為西北工業(yè)大學二級教授、材料物理與化學學科博士生導師，中國力學學會、中國化學會流變學委員會副主任；《復合材料學報》、《功能材料》雜志編委；陜西省凝聚態(tài)結構與性質重點實驗室學術委員會主任。2000年國家杰出青年科學基金獲得者。 長期從事智能材料，光信息材料與行為等方面研究，在Advanced Materials等國內(nèi)外雜志發(fā)表SCI論文290多篇，引用4900余次，H因子40；已獲授權中國發(fā)明93項，另有34項已經(jīng)公開；國內(nèi)外出版專著12部（章）。作為完成.人獲陜西省科學技術一等獎（2005年）、二等獎（2003年、2009年）、國防科工委國防科學技術二等獎（2005年）、中國航空工業(yè)科技進步三等獎（1998年）等。獲國務院政府特殊津貼、國防科技工業(yè)有突出貢獻中青年專家、陜西省很好發(fā)明人等榮譽稱號。
書友推薦
- >
莉莉和章魚
- >
伯納黛特,你要去哪(2021新版)
- >
自卑與超越
- >
月亮與六便士
- >
上帝之肋:男人的真實旅程
- >
唐代進士錄
- >
二體千字文
- >
名家?guī)阕x魯迅:朝花夕拾
本類暢銷
