【摘 要】
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超表面是超材料的二维版本,由于它们易于制造,并且在电磁波控制方面具有强大的能力,因此引起了人们广泛的关注。然而,到目前为止,这些被证明的超表面大都是基于非手性的元原子,并以同样的效率对左旋圆极化(LHCP)和右旋圆极化(RHCP)波的振幅和相位进行调制,对圆极化波展现出不同反射特征的自旋选择性超表面的讨论较少。针对这个问题,本文结合手性结构的特性与Pancharatnam-Berry(PB)相位理
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超表面是超材料的二维版本,由于它们易于制造,并且在电磁波控制方面具有强大的能力,因此引起了人们广泛的关注。然而,到目前为止,这些被证明的超表面大都是基于非手性的元原子,并以同样的效率对左旋圆极化(LHCP)和右旋圆极化(RHCP)波的振幅和相位进行调制,对圆极化波展现出不同反射特征的自旋选择性超表面的讨论较少。针对这个问题,本文结合手性结构的特性与Pancharatnam-Berry(PB)相位理论,提出了一种双功能反射装置的设计方法,实现了圆极化电磁波自旋选择性反射以及涡旋电磁波产生的功能,本文所设计的反射装置在波阵面的自旋选择性调制、圆极化波探测、极化转换以及无线通信等领域将具有广阔的应用前景。主要研究内容如下:首先,对圆极化电磁波自旋选择性反射的工作机理和涡旋电磁波的特性进行研究。通过对电磁波各种极化形式的介绍、自旋选择理论的推导以及涡旋电磁波角动量的分析,为圆极化电磁波选择性反射装置的设计提供理论基础。接着,完成了为自旋选择性异常反射和携带轨道角动量(OAM)的涡旋波产生而量身定制的手性超表面的设计。先根据手性结构的基本特征,提出一种适用于自旋选择性反射的手性单元的设计,即将不对称的Π型和Γ型谐振器相互嵌入用作强圆二色性的基本元原子,通过引入手性谐振实现自旋依赖的反射与吸收。再根据PB相位理论,通过调整元原子表面金属图案的几何方位角来实现相位的改变,从而实现涡旋电磁波所需的相位条件,为后续圆极化电磁波选择性反射装置的实现奠定基础。然后,通过使用MATLAB与HFSS联合仿真的方法快速搭建手性超表面模型,并在HFSS软件中进行仿真,通过对手性超表面的近场电场幅度分布、相位分布及远场方向图分布进行分析验证了圆极化自旋选择性反射和涡旋电磁波生成的性能。最后,利用PCB印刷电路板技术制备实物并进行实验测试,通过将测试所得的近场电场幅度分布、相位分布及远场方向图等数据与仿真结果进行对比,验证了该反射装置的圆极化自旋选择性反射和涡旋电磁波生成的功能,进而完成本课题全部工作。
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