基于手性超材料的圆极化波吸收特性研究开题报告

1. 研究目的与意义

基于亚波长单元结构的人工电磁超材料具有优异的电磁/光学特性，如负折射率、超分辨率以及极化转化等，使得超材料研究成为近年量子通信、纳米光学、材料科学、能源探测等领域的前沿研究方向，其中以手性超材料的研究尤为突出。手性超材料是指手性超材料是指与其镜像不具有几何对称性, 且不可通过旋转或平移等任意操作使其与镜像重合的一种新型电磁超材料。超材料的深入研究, 极大地丰富了手性结构的建模, 为许多隐晦物理现象和理论分析的研究提供了更多有效的方法。手性超材料所具备的超强光学活性、圆二色性以及不对称传输等独特的电磁/光学特性, 也为电磁学、物理学、材料科学、光学、声学、纳米科学以及信息科学等领域提供了全新的研究方向。手性是手性分子的一种固有特征, 也是生命体征的一种表现, 在有机世界中普遍存在, 诸如蛋白质、dna、糖分子、病毒、氨基酸和液晶体等分子。然而在自然界中, 手性结构十分有限, 有关建模和理论分析仅停留在原始结构的表征。

手性吸收表现为对左旋圆极化波（lcp）和右旋圆极化波（rcp）的不同响应，可分为非选择性吸收和选择性吸收。选择性吸收是指当lcp/rcp电磁波入射到手性超材料表面时，只高效吸收某一种手性波。非选择性吸收是指手性超材料表现出对lcp和rcp同等程度的吸收。jia 等将纳米盘和孔以一定的角偏移量相结合，实现手性不敏感吸收，纳米盘的吸收率超过 90%，而纳米孔的吸收率虽然在局部频率点出现恶化，但仍大于 80%。li等设计了一种基于双层扭曲的l型折叠金属线结构的超薄手性超材料吸收器，lcp波在入射时与结构之间存在强烈的相互耦合作用，而rcp波在入射时与结构的相互耦合作用可忽略，从而实现高效吸收lcp波。tang等在二氧化硅介质层上，利用η型银谐振器，在可见光波段内验证了一种选择性手性等离子体吸收器。该吸收器可在不同的谐振波长处分别对lcp、rcp波产生不同的吸收现象。通过对比实验和模拟吸收光谱的结果，在波长643nm附近表现为rcp波高效率吸收，在波长760nm附近表现为 lcp 波高效率吸收，且两种手性波的峰值吸收率均大于80%，圆二色性值(cd)大约为0.5。因此该结构可在不同谐振波长处实现圆极化敏感吸收器的设计。手性电磁超材料由于具有极化转化、圆二色性、手性负折射率、不对称传输等独特的电磁/光学特性，逐渐成为研究热点，且可广泛应用于圆偏振器、圆偏振转换器、能量收集器等器件设计中。

目前，电磁/光吸收已经可实现多频、宽频、极化不敏感、宽角入射等优异特性，但有关手性吸波，尤其是选择性吸收超材料建模的研究十分有限手性微结构的电磁超材料的实现很大程度上取决于单元结构尺寸和周期阵列排布，吸收带宽仍然局限于较窄的频率范围内，且对lcp和rcp波的识别(选择性吸收)能力较弱。因此,如何拓宽手性吸波材料的带宽，设计超强圆极化选择性吸波器是未来的研究热点。此外，随着微纳技术和纳米技术的发展，利用包括半导体材料、相变材料、高电阻/电感/电容薄膜、石墨烯在内的新型功能材料，结合集总元件的匹配电路控制，为实现太赫兹、红外、可见光波段的吸波器提供了研究空间。

2. 研究内容和问题

基本内容：

(1)查阅超材料及手性超材料等相关的研究背景、现状和应用；

3. 设计方案和技术路线

(1) 查阅国内外有关手性超材料的文献和资料，了解课题的研究意义、发展现状和发展趋势；

(2) 根据已有的发展内容，讨论手性超材料吸波器的结构类型；

4. 研究的条件和基础

我作为光电信息专业的学生，具备了一定的光学和电磁学物理知识，并具有一定计算机应用能力和文献检索能力；学校图书馆和校园网有比较丰富的图书资料，研究所需的电脑及相关的电脑软件也已具备。综上所述，完成本课题研究的基础条件已基本具备。