超材料电磁共振及调控机理研究

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1、分类号学号DD201277605学校代码10487密级博士学位论文超材料电磁共振及调控机理研究学位申请人闵：力学科专业物理电子学：指导教师黄黎蓉：教授答辩日期2016：年1月22日ADissertationSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyinEngineeringResearchonElectromagneticResonancesandTunabilityofMetamaterialsPh.D.Candidate：MinLiMajo

2、r：PhysicalElectronicsSupervisor：Prof.HuangLirongCo-Supervisor：HuazhongUniversityofScience&TechnologyWuhan430074，P.R.ChinaJanuary,2016独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者

3、签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在____________年解密后适用本授权书。本论文不保密□。属于（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日华中科技大学博士学位论文摘要电磁现象源于电磁波与物质之间的相互作用。利用自然界物质，我们可

4、以操纵电磁波的各种特性，例如方向、强度和偏振等。然而，由自然界物质构建的一些传统光学元器件的性能和功能并不总能够满足我们的需求，甚至是无法实现的。最重要的原因不是由于当前计算机水平或工艺技术达不到要求造成的，而是自然界物质电磁性质可选择的范围非常有限的原因所致。近年来，超材料作为一种新型的、电磁特性可任意设计的人工光学材料，它不仅能够显著提升传统光学元器件性能的同时，而且会大大拓展元器件功能的可设计空间。本论文研究了超材料的电磁共振机理，并对其调控机理进行了深入地探讨。主要研究内容和成果包括以下几方面：（1）通过Lorentz模型和Drude理论模型分析了

5、自然界物质（介质、金属和掺杂半导体）电磁响应的机理及其介电特性；接着，在此基础上引入了人工材料（超材料）的概念，并讨论了提取人工材料电磁特性参数的基本方法。（2）利用超材料弹簧振子模型研究了超材料的电磁特性，包括电磁共振波长和电磁共振响应强度特性。结果表明：超材料共振波长与自由电子在超材料单元结构中的有效行程有关，而电磁共振强度与单元结构中自由电子浓度以及由电磁波引起的电势差有关。通过仿真和实验研究总结了常见结构类型二维超材料的电磁共振特性，验证了超材料弹簧振子模型的正确性，并提出了一种二维半导体超材料。研究了开口谐振环这类典型结构超材料的电共振响应特性和

6、磁共振响应特性，及其光学各向异性的性质。（3）对常用于研究三维超材料介电特性的理论和方法进行了总结和推导。研究并探讨了三维颗粒型超材料和三维层状型超材料的介电特性。在此基础上，提出了一种微米尺寸的偏振无关全半导体光路板光滤波片，还设计出了一种厚度仅为0.58μm的双超材料四分之一波片。（4）从调控机理的角度对现有报道的可调控型二维超材料进行了重新梳理和分类，并提出了一些性能优化方案以及一种新型的可调控型二维半导体超材料。除此以外，针对目前三维超材料电磁性能调控研究的空白，我们设计出了一种电可调控型三I华中科技大学博士学位论文维层状型半导体超材料，并研究了其

7、调控性能。结果表明：相比现有的电可调控型二维超材料，电可调控型三维层状型半导体超材料的性能更加优越。这些研究成果在为今后更深入研究超材料电磁共振机理提供基础的同时，也为二维超材料和三维超材料元器件的设计、制备、新功能开发以及性能优化提供了指导。关键词：电磁超材料亚波长结构电磁共振有效介电常数有效磁导率II华中科技大学博士学位论文ABSTRACTElectromagneticphenomenaoriginatefrominteractionsbetweenlightandmaterials.Wecancontrolthecharacteristic(such

8、asdirection,intensityandpolarizat