基于新型人工电磁材料的超级传输器件研究

In recent years,along with the research on metamaterials and extraordinary optical transmission (EOT), there have been intensive study on different technologies to guide electromagnetic or optical waves through sub-wavelength aperture, channels or waveguide. In our previous work, a wideband extraordinary transmission device was designed and fabricated based on coordinate transformation. The performance of the device in X-band waveguide is demonstrated in both simulation and experiment and the two results are in good agreement. In this project, the extraordinary transmission is going to be studied in further detail, such as studying the working function of extraodinary transmission devices (ET) based on SPPs; designing three dimensional and THz ET devices; designing and realizing metamaterial unit cell. This project is of particular importance to antenna, antenna housing, biosening and medical detecting science.

近年来,随着新型人工电磁材料和异常光学透射现象的研究和发展，能够导行电磁波通过亚波长小孔、隧道或者波导的超级传输器件成为一个新兴的研究热点。我们在前期工作中，通过数值仿真和实验测量验证了当亚波长小孔前后空间中填充着本征参数满足一定分布的媒质时，该小孔可以实现本不可能的超带宽、低损耗电磁传播，即超级传输。本项目拟对超级传输器件展开系统研究，具体包括：从表面等离子体激元等角度研究超级传输器件的工作机理，以加深对其物理本质的理解；研究人工电磁材料的单元结构以实现超级传输器件；设计新型超级传输器件以适用于三维情况及THz频段。本项目的研究具有重要的理论意义，同时对天线、天线罩、生物和医疗感应检测等都具有重要的实际意义。

新型人工电磁材料在近二十年来得到了迅速发展。变换光学使得研究者对电磁波可以实现任意的掌控。这种调节是通过光学传播路径上的相位积累来实现的。近年来，新型人工电磁表面的出现使得电磁波在透过（反射）超薄的表面时能够得到可设计的相位突变，因此可以实现超薄、超轻的电磁器件，如吸波器、透镜、偏折器等。这种突破常规电磁波传输限制的超级传输器件一直是非常重要的科技增长点。.本项目对基于新型人工电磁材料的超级传输现象及器件展开了研究，多项研究成果均适用于自由空间和多种极化的三维实际情况，取得了重要进展：（1）基于光学变换，设计了了一种可以实现“负折射”现象的超级平板透镜，并将其本征参数分布简化为较容易实现的标量分布。（2）表面等离激元是光波段超级传输的重要物理原理基础；我们设计并实验验证了一种紧凑型局域人工表面等离激元，其电尺寸远小于以前的结构，谐振强度高，且Q值可以高达634。（3）为了实现高带宽、损耗低、精度高的单元结构，我们提出了双层介质打孔结构，并据此设计了宽带透镜，以调节喇叭天线的方向图，提高天线的增益和定向性。（4）设计了一种可以把入射电磁波按照不同的极化情况分离的超薄惠更斯表面，其中，每个单元结构可以独立的支持一对正交的电偶极子和一对正交的磁偶极子，从而可以对垂直和水平方向上的相位分布完全调控。（5）提出了各向异性编码超材料的概念，即各个方向的编码特性依赖于电磁波的极化特性；并基于此，设计并实验验证了太赫兹波束分离器、异常反射和极化转换器等超级透射器件。（6）设计了完全无支持的太赫兹超薄透射阵，其单元结构由三层被聚酰亚胺薄层间隔的金属构成，可以提供2π的全相位覆盖以灵活调控电磁波。其测量参数可以直接由测量样品取得，而无需对介质基底归一化，从而可以直接应用到太赫兹系统中。.本项目发表高水平论文共计16篇，受资助参与国际会议两次，国内会议两次，研究成果在天线、隐身表面、太赫兹功能器件、高灵敏度传感器等方面均有重大应用前景。