金屬-電介質(zhì)多層復(fù)合結(jié)構(gòu)負折射及超分辨特性研究.pdf

1、近幾年來，負折射介質(zhì)由于其新穎獨特的物理性質(zhì)和重要的應(yīng)用前景而獲得了學(xué)術(shù)界廣泛的關(guān)注，并且已經(jīng)成為當(dāng)前電磁學(xué)界和光電子學(xué)界非常前沿和熱門的研究領(lǐng)域之一。負折射介質(zhì)的特性，特別是超透鏡效應(yīng)，引起了人們從微波波段到可見光波段，在理論分析、數(shù)值模擬和實驗制備方面的廣泛研究。 本論文通過等效介質(zhì)的色散理論分析了平面和曲面金屬．電介質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)的負折射效應(yīng)，并運用FDTD數(shù)值模擬方法研究了光束在其中的折射行為和超分辨效應(yīng)。研究內(nèi)容包括平面和

2、曲面金屬．電介質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)的色散關(guān)系，介質(zhì)分界面上的負折射，超透鏡效應(yīng)，以及遠場放大超透鏡。 本論文的研究工作和成果如下： 1.從等效介質(zhì)理論出發(fā)，將平面和曲面金屬-電介質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)分別看作直角坐標下和柱坐標下的各向異性介質(zhì)，在波矢空間中分析給出了平面和曲面金屬-電介質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)的色散關(guān)系，討論了平面金屬．電介質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)(MWGAs)中的全角度負折射效應(yīng)，分析了具有雙曲線型色散曲線的平面金屬-電介質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)中電磁波的波矢和能流

3、在不同傾斜分界面上的折射行為；清晰地給出了曲面金屬-電介質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)(hyperlens)的遠場超分辨機理。這種波矢空間色散曲線分析方法的物理圖象清晰簡潔，對復(fù)合介質(zhì)的構(gòu)建和研究具有指導(dǎo)意義。 2.建立了適用于負折射率材料的雙色散時域有限差分模擬平臺，用二維FDTD數(shù)值模擬方法研究了平面金屬-電介質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)的出入射端面形貌對折射光的影響。通過構(gòu)造出射端面，獲得了較好的超級透鏡超分辨成像效果，成像的強度比原結(jié)構(gòu)提高了24％，分辨率提

4、高了79％，在近場光刻和超分辨成像方面具有良好的應(yīng)用前景。 3.用二維FDTD數(shù)值模擬方法研究了曲面金屬-電介質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)(hyperlens)中的曲率、層數(shù)等結(jié)構(gòu)參數(shù)對光束傳播與發(fā)散特性的影響，分析了寬光譜在結(jié)構(gòu)中的傳播特性，對構(gòu)造更佳的遠場超透鏡有很重要的指導(dǎo)作用。由曲面金屬-電介質(zhì)多層復(fù)合結(jié)構(gòu)性質(zhì)出發(fā)，發(fā)明了一種新型遠場超分辨載流管，并給出了其操作方法和工作方式。該載流管在工作波長λ下可以分別使相距0.3λ 和0.4

5、4λ的精細生物和金屬結(jié)構(gòu)在遠場得到放大可分辨的像，實現(xiàn)了遠場超分辨，在生物探測和金屬微納結(jié)構(gòu)超分辨探測等方面具有很高的實用價值。 本論文的創(chuàng)新點主要包括： 1.從等效介質(zhì)理論出發(fā)，分析了平面和曲面金屬．電介質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)的色散關(guān)系，在波矢空間中結(jié)合色散曲線，研究了平面金屬．電介質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)的負折射效應(yīng)和傾斜分界面上的折射，及曲面金屬．電介質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)的遠場超分辨機理。 2.用二維FDTD方法研究了金屬．電介質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)中端