【摘 要】
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超表面由周期性人工微结构组成,具有很多自然材料不具备的新颖性质,在基础光学效应研究和新功能器件研制方面具有重要的研究价值。在中红外波段,由于金属具有较大欧姆损耗,基于金属微结构的超表面在线宽和能量效率等方面具有局限性。一些介质材料在中红外波段几乎没有损耗,因此全介质超表面为新性能超材料及器件提供了新途径。本论文对硅全介质超表面的共振模式和偏振特性开展了研究,设计并制备了以长方体硅为单元结构的全介质
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超表面由周期性人工微结构组成,具有很多自然材料不具备的新颖性质,在基础光学效应研究和新功能器件研制方面具有重要的研究价值。在中红外波段,由于金属具有较大欧姆损耗,基于金属微结构的超表面在线宽和能量效率等方面具有局限性。一些介质材料在中红外波段几乎没有损耗,因此全介质超表面为新性能超材料及器件提供了新途径。本论文对硅全介质超表面的共振模式和偏振特性开展了研究,设计并制备了以长方体硅为单元结构的全介质超表面,基于电共振和磁共振的各向异性激发,实现了交叉偏振转换的性能。论文取得的主要研究结果如下:（1）理论设计了以长方体硅为单元结构的全介质超表面,分析了不同偏振条件下的共振模式特性及偏振转换性能。论文研究的全介质超表面由氟化钙衬底上的周期性长方体硅阵列组成,理论仿真表明当x方向偏振光正入射超表面时,在11.47 μm和13.33 μm波长处分别激发磁偶极子和高阶电偶极共振;当y方向偏振光正入射超表面时,在波长11.61 μm处产生电偶极子共振;而当入射光偏振为45°时,在波长11.55 μm处具有偏振转换性质,交叉偏振转换分量的反射系数Rcross高达87.77%,而平行分量的反射系数Rco仅为8.13%,偏振转换效率PCR为91.52%;通过长方体硅几何尺寸的优化,交叉分量的反射系数Rcross在波长10.91 μm处最高可达96.6%。（2）根据理论设计结果,实验制备了硅全介质超表面并验证了偏振转换性能。红外光谱测试结果表明,在15°入射角的条件下,当入射光为x偏振时,在波长12μm附近激发了磁偶极子共振,反射率为61.22%;当入射光为y偏振时,在波长12.6 μm附近激发了电偶极子共振,反射率为67.31%;而入射光偏振为45°时,交叉偏振转换分量的反射率Rcross为19.83%,具有明显的偏振转换特性。实验与理论仿真在共振波长和偏振转换效率方面的性能差异主要由样品加工过程中的尺寸误差导致。
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