介质超材料的设计、制备及其对电磁波的调控

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1、介质超材料的设计、制备及其对电磁波的调控(申请清华大学工学博士学位论文)培养单位：材料学院学科：材料科学与工程研究生：刘晓明指导教师：周济教授二○一六年十月Design,FabricationandElectromagneticWaveControlofDielectricMetamaterialsDissertationSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofPhilosophyinMaterialsScienceandEngineeringbyLiu

2、XiaomingDissertationSupervisor:ProfessorZhouJiOctober,2016摘要摘要超材料（Metamaterials）是由人工“原子”周期或无序地排列而成，人工“原子”的尺寸要大于自然原子的尺寸，从而有利于我们自由调控其性能。通过调节人工“原子”的形状、尺寸和性能参数，我们可以设计出自然界中不存在的具有超常电磁响应的人工材料。利用超材料来制备吸波材料和光开关器件因其具有重大的应用价值而引起了广泛的关注，然而目前大部分吸波超材料和光开关超材料都是基于金属结构人工“原子”实现的。介质超材料的Mie谐振为超材料的设计提供了新的思路，有望进一步提高吸波

3、材料和光开关器件的性能，本课题致力于研究探索利用介质超材料来设计制备单频、双频和宽频吸波材料以及低阈值、高响应速度的光开关器件。设计制备出单频吸波介质超材料，其在8.96GHz的吸收率达到99%。在8.96GHz处其介电常数和磁导率近似相等，使该介质超材料的阻抗接近于1，满足了阻抗匹配条件，从而得到吸收率接近100%的吸收峰。该吸收峰对入射波的偏振方向和入射角不敏感，吸收峰的位置会随介质人工“原子”边长或介电常数的减小向高频移动。研究了基于不同边长和介电常数介质人工“原子”的双频吸波材料和基于双级Mie谐振的双频吸波材料。三种双频吸波材料均实现了两个频段吸收率接近100%的吸收峰。双频

4、吸收峰均对入射波的偏振方向和入射角不敏感，通过改变介质超材料的尺寸和介电参数可以单独或同时调控两个吸收峰的频率和强度。研究了基于介质人工“原子”尺寸渐变和介电常数渐变的宽频吸波材料和基于高阶Mie谐振峰耦合的宽频吸波材料。三种宽频吸波材料均实现了吸收峰的宽化，且吸收峰的宽化程度可以人工调控。设计了基于介质超材料谐振热效应的全光开关器件，通过改变调控电磁波的强度，信号电磁波从没有信号通过的光开关的“关”状态，变为有信号通过的“开”状态。实现了利用不同频率的调控电磁波来控制信号电磁波的功能。模拟设计出基于金属结构超材料和介质超材料模态转换的全光开关器件，模态转换的速度在光速量级，因而实现了

5、全光开关的超快响应。且全光开关的工作频率可以通过调节金属结构超材料和介质超材料的尺寸性能参数来任意调控。关键词：超材料；Mie谐振；吸波材料；光开关；铁电介质IAbstractAbstractMetamarialsarecomposedofartificial“atoms”periodicallyordisorderly.Thesizeofartificial“atoms”ismuchbiggerthanthatofnaturalatoms.Ithelpsustocontrolitspropertiesfreely.Wecandesignartificialmaterialswitha

6、bnormalelectromagneticpropertiesbymodulatingtheshape,sizeandpropertyparametersofartificial“atoms”,theartificialmaterialsmaynotexistinnature.Utilizingmetamaterialstorealizeabsorberandopticalswichinghasarousedwideattentionduetoitssignificantapplication.However,sofarmostoftheabsorbermetamaterialsan

7、dopticalswitchingmetamaterialsarebasedonmetalstructureartificial“atoms”.Actually,theMieresonancesofdielectricmetamaterialsprovideanewwaytobuildmetamaterials.Itmayfurtherimprovetheperformanceofabsorberandopticalswitchingdevic