超表面与超材料介绍

1、UESTC,超材料与超表面,UESTC,一、绪论 1、传统的光学元件 原理：光波的折射和反射（对入射光进行调制）。 实现：工作光波前的聚焦、成像、分色等光学功能。 通过光程的积累来实现相位的改变，因此，相位变化与光学元件的厚度成正比。 2、第2代光学元件:衍射光学元件 原理：光波的衍射理论 通过：计算机辅助设计和超大规模集成电路技术，在片基上刻蚀出深浅不一的特定浮雕结构 实质上还是光程的积累，其变薄的秘诀在于摒弃了光学元件中冗余的2相位。 3、第3代光学元件：平板光学元件 实现：涡旋光束、宽带光弯曲、双偏振金属透镜以及平板轴锥镜实验,UESTC,二、超表面 1、新型人工电磁材料 将具有特定几何

2、形状的亚波长宏观基本单元周期性或非周期性地排列所构成的人工材料。 就是用有序的人造单元“粒子”代替自然界材料的分子或原子等基本粒子，所组成一种等效材料 2、超表面 一种基于广义斯涅尔定律，通过控制波前相位、振幅以及偏振进行电磁/光学波束调控的新结构。 是一种超薄二维阵列平面，由超材料结构单元组成，它可以灵活有效的操纵电磁波的相位、极化方式、传播模式等特性,UESTC,2011 年，Capasso 课题组首先提出超表面来拓展斯涅耳定律，并设计结构的V型天线阵列的超表面结构提供梯度的相位突变渐变,相邻天线之间相差/4相位,UESTC,三、新型电磁器件设计的基本理论 3.1变换光学理论 光学变换：就

3、是一个广义的坐标变换或者称为空间变换。变换前的空间称之为虚拟空间，一般假设为真空，而变换后的空间叫做物理空间，通常就是我们设计的器件放置的空间。只要选择合适的变换函数，就可以将虚拟空间中的部分区域变换为物理空间中对应的区域。 3.2几何光学理论 几何光学是研究电磁理论在波长趋近于零时情况的一门科学，是一种波动光学的近似理论。 直线传播定律、独立传播定律、反射和折射定律,UESTC,3.3、费马原理 具体内容为：光在任意介质中从一点传播到另一点时，沿所需时间最短的路径传播。又称最小时间原理或极短光程原理。 传播方向是沿着光程 取极值的方向。 对于光波：光程的变化体现在相位的变化中，传播光波的相位

4、变化取极值,UESTC,3.4、广义斯奈尔定理 超表面相位突变的引入，表现为两种介质交界面的相位不连续性。 假设两路径无限接近真实光路 ，则它们之间的相位差为0。 广义的斯奈尔定律,UESTC,折射光线可以拥有任意的方向 如果交界面处的相位梯度设计为常数 垂直入射也可以有折射角，也可以用惠更斯原理解释 相位不连续引起的奇异电磁现象和通过操作庞大的人工电磁超材料获得 的奇异电磁现象之间存在着本质的差异： 后者一般是通过负介电常数、负磁导率材料或者在沿着或垂直表面方向引入具有不同介电常数张量特征的各向异性的介电常数来实现，通常情况下比较复杂并难以操作,UESTC,四、应用 4.1均匀型电磁超表面高

5、阻抗表面结构 亚波长金属结构/介质层/金属底板组成的三明治结构,UESTC,在共振频率附近高阻抗表面对电磁波的阻抗非常高，因此会将电磁波 完全反射 高阻抗表面在不同频率下具有反射相位 均匀型电磁超表面偏振调控超表面,UESTC,4.2、梯度超表面实现高效表面波耦合 1、首次提出利用梯度超表面实现高效表面波耦合的全新概念 分析发现：满足 ，系统的反射相位满足线性分布。 当 k0时，入射的传播波被完美地 转化为表面波,UESTC,4.2、梯度超表面实现高效表面波耦合 2、要实现线性反射相位分布 可以选择M(x) = const ，M(x) 或 M(x)，M(x) = const 的梯度超表面，结 构 单 元