金属-电介质多层复合结构负折射及其超分辨特性的研究.pdf

摘要 摘要 近几年来，负折射介质由于其新颖独特的物理性质和重要的应用前景而获 得了学术界广泛的关注，并且已经成为当前电磁学界和光电子学界非常前沿和 热门的研究领域之一。负折射介质的特性，特别是超透镜效应，引起了人们从 微波波段到可见光波段，在理论分析、数值模拟和实验制备方面的广泛研究。 本论文通过等效介质的色散理论分析了平面和曲面金属．电介质复合结构的 负折射效应，并运用FDTD数值模拟方法研究了光束在其中的折射行为和超分 辨效应。研究内容包括平面和曲面金属．电介质复合结构的色散关系，介质分界 面上的负折射，超透镜效应，以及远场放大超透镜。 本论文的研究工作和成果如下： 1．从等效介质理论出发，将平面和曲面金属．电介质复合结构分别看作直角坐 标下和柱坐标下的各向异性介质，在波矢空间中分析给出了平面和曲面金属 ．电介质复合结构的色散关系，讨论了平面金属．电介质复合结构(MwGAs)中 的全角度负折射效应，分析了具有双曲线型色散曲线的平面金属．电介质复合 结构中电磁波的波矢和能流在不同倾斜分界面上的折射行为；清晰地给出了 曲面金属．电介质复合结构(hyperlens)的远场超分辨机理。这种波矢空间色散 曲线分析方法的物理图象清晰简洁，对复合介质的构建和研究具有指导意 义。 2．建立了适用于负折射率材料的双色散时域有限差分模拟平台，用二维FDTD 数值模拟方法研究了平面金属．电介质复合结构的出入射端面形貌对折射光 的影响。通过构造出射端面，获得了较好的超级透镜超分辨成像效果，成像 的强度比原结构提高了24％，分辨率提高了79％，在近场光刻和超分辨成像 方面具有良好的应用前景。 3．用二维FDTD数值模拟方法研究了曲面金属．电介质复合结构(hypedens)中 的曲率、层数等结构参数对光束传播与发散特性的影响，分析了宽光谱在结 构中的传播特性，对构造更佳的远场超透镜有很重要的指导作用。由曲面金 属．电介质多层复合结构性质出发，发明了一种新型远场超分辨载流管，并给 出了其操作方法和工作方式。该载流管在工作波长A下可以分别使相距0．3A 摘要 和O．4乱的精细生物和金属结构在远场得到放大可分辨的像，实现了远场超 分辨，在生物探测和金属微纳结构超分辨探测等方面具有很高的实用价值。 本论文的创新点主要包括： 1．从等效介质理论出发，分析了平面和曲面金属．电介质复合结构的色散关系， 在波矢空间中结合色散曲线，研究了平面金属．电介质复合结构的负折射效应 和倾斜分界面上的折射，及曲面金属．电介质复合结构的远场超分辨机理。 2． 用二维FDTD方法研究了金属．电介质复合结构中端面形貌对折射光的调制， 通过构造出射端面形貌，获得了更佳的超级透镜超分辨成像效果。 3．研究了曲面金属．电介质复合结构中的曲率、层数等结构参数对光束传播与 发散特性的影响，分析了宽光谱在结构中的传播特性。发明了一种新型曲面 金属．电介质复合远场超分辨载流管。 关键词：负折射超级透镜各向异性介质 时域有限差分亚波长金属结构 光束偏折和聚焦 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定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，可以将学位论文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、汇编学位论文。 必威体育官网网址的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名： 钐岖年乡月J日 第一章 绪论 第一章绪论 1．1负折射介质发展概述 前苏联物理学家veselago于1968年从纯理论的角度