长焦深与偏振可控的太赫兹超构表面透镜

为了提高太赫兹超透镜成像的纵向容忍度,设计了一种纯几何相位全介质长焦深超构表面透镜器件。采用纯几何相位自旋解耦的设计方法,并结合时域有限差分（FDTD）方法,对设计的超构表面透镜进行了数值仿真。研究结果表明,所设计的太赫兹超构表面透镜具有偏振可控和长焦深的特性,在沿着传播方向上焦深达到了8 mm,而普通超构表面透镜只有4.5 mm焦深。设计并数值仿真验证了两个太赫兹长焦深聚焦复用的超构表面透镜,并使得横向复用的两个长焦深焦点具有相互正交的偏振态。相关研究有望应用于层析成像和信息加密等方面。     

消色差超构表面复合透镜

超构表面因其体积轻薄易于集成化，有望在某些特定场合取代传统透镜实现多功能光学器件。超构表面的光束偏转角随波长的增加而增大，与传统折射透镜相比产生相反的色散，这种色散又被称为“异常色散”或“负色散”。理论上利用超构表面的负色散和传统折射光学器件的正色散相抵消，可以完全矫正光学系统的色差。由此出发，设计了一种基于光刻胶材料，由Pancharatnam-Berry（PB）相位型超构表面作为第一透镜，传统球面透镜作为第二透镜的消色差超构表面复合透镜，利用时域有限差分数值模拟软件FDTD Solutions探索了该透镜在780～980 nm波段的聚焦性能，证明了消色差光刻胶超构表面复合透镜优异的消色差效果。相对传统的消色差超构表面通过相位补偿来消色差的方法，这种消色差设计简单且高效，为特定波段内的消色差成像提供了一定的借鉴意义。     

基于几何相位的线偏振聚焦全介质超透镜的设计

超透镜凭借其独特的优势逐渐取代或补充了传统的折光和衍射透镜,从而领先小型化高性能光学设备和系统。这种小型化有望带来紧凑的纳米级光学设备,应用于相机、照明、显示器和可穿戴光学。但在传统的超透镜设计中,几何相位通常需要左右旋圆偏振光的手性限制。为了使其不再局限于左旋圆偏振光(LCP)和右旋圆偏振光(RCP)入射,设计了基于几何相位的全介质超透镜,实现了线偏振光的近场聚焦,其与超表面滤光片主要输出波长(可见光波段)一致。采用有效时域差分法研究并验证了超透镜各变量对光场聚焦特性的影响,超透镜等其他超表面光学元器件前所未有的设计自由度将极大地扩大微光学和集成光学的应用领域。     

关于超透镜斜入射时调制传递函数曲线的研究

为了实现光学系统的集成和小型化,提高光学系统的成像质量,设计了一种基于广义斯涅尔定律和几何相位的平面超透镜。通过在超透镜界面处设计双曲面相位分布,将入射圆偏振平面波阵面转换为球形波阵面,将光聚焦在期望焦距处,并且在垂直入射时能够实现衍射极限聚焦。分析了入射光以不同角度入射时,光斑的调制传递函数(MTF)曲线,阐述了不同角度入射光入射时导致MTF曲线下降的原因。该分析对平面超透镜的进一步优化设计具有一定的指导意义,有助于实现小型化、集成化的光学系统。     

石墨烯超表面的极化不敏感电磁诱导反射

利用时域有限差分(Finite difference time domain,FDTD)方法研究了石墨烯超材料的电磁诱导反射(Electromagnetically induced reflection,EIR)效应.首先,设计了一种在太赫兹波段上由二氧化硅(SiO2)、金和石墨烯条组成的三层超材料结构.然后,讨论了石墨烯条的宽度、长度和电磁波的入射角等参数不同的情况下该结构的电磁诱导反射效应,并通过改变结构的中间层介质材料得出SiO2是一种优良的介电材料.最终的模拟结果表明,该石墨烯超材料对极化入射的电磁波不敏感.该极化不敏感和大入射角的电磁诱导反射结构在光通信滤波器和太赫兹器件中有潜在的应用.     

超快激光成丝现象的多丝控制

研究了强场超快激光脉冲在光学介质中传输引起的成丝现象.考虑无序的多丝降低了激光光束的光斑质量,影响了光丝的能量分布,限制了超快激光脉冲成丝在实际中的应用,本文介绍了目前对高功率超快激光脉冲在介质中传输时产生的多丝进行控制的方法,并对各种方法进行了分析和比较.研究表明,目前对于多丝的控制主要采用振幅调制或相位调制等方法,已实现了减弱或消除强度微扰与传输介质折射率扰动,可避免多丝间相互联系及能量的竞争,使多丝按照预想的空间图样排布,达到多丝控制的目的.文章指出,目前多丝控制存在的主要问题是还不能准确完成对多丝长度及间距位置的精确控制.     

面向超分辨光学成像的浸没微球透镜控制

微球透镜配合传统光学显微镜可以采集到衍射极限以下的超分辨光学图像,为了精确控制微球透镜在样品表面的位置,同时扩大超分辨成像范围,提出了一种控制微球透镜的方法,结合多轴微动平台实现微球透镜的精确定位与成像扫描操作。通过光学仿真分析了微球透镜超分辨成像效果,并对精密微动平台进行了运动学分析。为了提高超分辨成像效果,将微球透镜浸没于液体介质中,并对在液体中运动的微球透镜进行力学分析。通过实验,清晰分辨出130nm(~λ/4)的蓝光光碟条纹间隙,证明了微球透镜具有超分辨成像能力,结果表明,微球透镜可以在传统光学显微镜的基础上进一步提高约3.52倍的放大倍数。通过控制微球透镜以5×10~(-6) m/s的速度在液体中按"S"型轨迹移动,实现了对一个视场内样品的超分辨成像,此控制方法可以精确控制微球透镜的运动,通过扫描的方式可以扩大微球透镜的观测范围,提高观测速度。     

实验产生超分辨光学聚焦暗斑

用二元相位器件调制角向偏振激光光束,然后用高数值孔径物镜聚焦,在实验上产生了一个超分辨光学聚焦暗斑。二元相位器件的调制作用是通过让角向偏振光束经一块刻有多环同心环状凹槽的玻璃基板实现的。用刀口法检测了焦点附近的3D光束分布特性,得到了尺寸是0.32λ且在4λ左右的长度内保持不变的超分辨暗斑。这样的光学聚焦暗斑可能会应用于超分辨显微技术和光学捕获。     

太赫兹宽带消色差偏折器设计

偏折器可以调控电磁波的传播方向,在传感、光通信等领域具有重要的地位,但是色差问题使传统偏折器的偏折方向随波长变化,很大程度上限制了偏折器的发展。为了消除偏折器中的色差问题,通过对太赫兹偏折中色差问题的物理机理进行分析,采用几何相位与共振相位结合的设计方法,在全介质超表面上实现宽带消色差偏折的功能。利用有限时域差分法(FDTD)在0.5 THz到1.1 THz的宽带范围内仿真验证设计的方法并实现了超表面消色差偏折的效果。     

新型油井含水率测量仪的研制

由于水、油介电特性差异较大，导致电磁波在不同含水率的油水混合介质中传播时的相位系数有很大不同。新型含水率测量仪器是利用同轴线作传感器，油水混合介质在同轴线内流过，并构成传播电磁波的载体，通过测量同轴线两端电磁波在同轴线内油水混合介质中传播的相位系数，来得到油水混合介质的含水率。该仪器能够实现油井含水率的连续测量，室内试验和初步现场试验证明该方法能够解决高含水油田油井含水率很难测准这一难题。     

Focusing ultrasonic waves in a 2-D covered channel above the periodic array of Helmholtz resonators

This paper presents the numerical simulation and experiments on focusing low-frequency ultrasonic waves in a 2-D covered channel above acoustic metamaterials composed of the periodic array of Helmholtz resonators, in which the refractive index can be in a negative value. The 2-D channel above the acoustic metamaterials is covered by a plate to limit the area affected by the negative refractive index metamaterials. Ultrasonic waves propagated in the 2-D covered channel are found to be highly dependent on input frequency and the designed Helmholtz resonator structure, where its negative refractive index causes the focusing phenomenon in this channel. From the numerical simulation and experiments, an amplitude focus spot is observed in the peak-to-peak of the time domain signal and frequency response at 125 kHz by mapping a pressure field in the 2-D covered channel. Different focal points with several input frequencies are also identified. Our research demonstrates the possibility of applying the designed lens based on acoustic metamaterials to improve the focusing effect in ultrasonic testing.     

基于机构运动的大变形超材料

超材料是一类新型人工复合材料或复合结构,特殊的微观或宏观内部结构设计使它们具有自然材料不具备的超常物理性质。超材料的发展经历了二维电磁超表面到三维机械、热学、声学、光学超材料的发展之后,正进入可编程、可调控的阶段,近年来涌现出各种各样具有大变形能力的超材料,以实现物理性能的设计预期与主被动适应。对大变形超材料的设计、功能、制造等方面的发展现状进行了简要的综述,分析这类超材料研究当前存在的主要问题与发展趋势,为多功能超材料的编程与调控研究提供借鉴与参考。     

Analytical solution for SH wave propagating through a graded plate of metamaterial

A physical model for the shear horizontal (SH) wave propagating from left-handed material (LHM) through a graded or transition layer to right-handed material (RHM) has been proposed in this paper. After the comparison of the basic wave equations of the electromagnetic, longitudinal, and SH waves, it is found that they take similar differential form. The analytical solutions have been found for power law, hyperbolic, and polynomial profiles. Numerical waveforms of the amplitude and phase of the displacement are obtained for the corresponding profiles. It is found that the waveforms are symmetric for the power law and hyperbolic profiles, and that the waveform for the polynomial profile is shifted and non-symmetric. The shift along with the anti-symmetric profile may provide a way to monitor the wave behavior of the metamaterials.     

火花塞电磁兼容性能的提升对策

近年来,乘用车辆采用了越来越多的电子设备,需要系统考虑车辆上所有电器件的电磁兼容性能;同时发动机技术的提升也对电磁兼容性能提出了更高的要求。火花塞作为发动机点火系列中的点火执行器,其单体不具备辐射电磁波的能力。但火花塞点火时,释放点火线圈储存的能量,在间隙击穿的瞬间,其周围的电场会发生急剧变化,从而产生电磁波。可以通过减小间隙、使用贵金属尖端中心电极等手段,降低点火电压,从而降低电磁波的频率和能量;同时采用合适的包边口尺寸和合适的接线端子位置,采用屏蔽型等手段,来减短和缩小电磁波传播的路径,达到良好的火花塞电磁兼容性能。采用电阻型、电感型、磁阻型的火花塞结构是抑制电磁波常用和主要的手段,通过不同的组合可以实现更好的火花塞电磁兼容性能。     

Surface-polariton propagation for scanning near-field optical microscopy application

Surface plasmon-, phonon- and exciton-polaritons exist on specific materials in specific spectral regions. We assess the properties of such travelling surface-bound electromagnetic waves relevant for scanning near-field optical microscopy applications, i.e. the tightness of surface binding, the attenuation, the phase velocity and the coupling with free-space electromagnetic waves. These quantities can be directly determined by photographic imaging of surface plasmon- and surface phonon-polaritons, in both the visible and mid-infared regions. Focusing of mid-infrared surface plasmons is demonstrated. Surface waveguides to transport and focus photons to the tip of a scanning near-field probe are outlined.     

Surface-polariton propagation for scanning near-field optical microscopy application

Surface plasmon-, phonon- and exciton-polaritons exist on specific materials in specific spectral regions. We assess the properties of such travelling surface-bound electromagnetic waves relevant for scanning near-field optical microscopy applications, i.e. the tightness of surface binding, the attenuation, the phase velocity and the coupling with free-space electromagnetic waves. These quantities can be directly determined by photographic imaging of surface plasmon- and surface phonon-polaritons, in both the visible and mid-infared regions. Focusing of mid-infrared surface plasmons is demonstrated. Surface waveguides to transport and focus photons to the tip of a scanning near-field probe are outlined.     

超材料完美吸波器研究进展

超材料是一种人工复合材料,一般是由金属和电介质周期性排列的单元结构所构成,它具有天然材料不具备的某些特殊电磁性质。超材料的电磁响应不仅由它的构成材料决定,也与其谐振单元的微结构和排列方式有关。基于超材料设计的完美吸波器通过合理改变谐振单元的微结构参数和排列方式可以实现对特定波长的电磁波接近100%的吸收。超材料完美吸波器(PMA)具备设计灵活、响应可调、厚度小、吸波强等优点,通过设计合理的结构可以实现超宽带宽和极窄带宽,可以广泛应用于隐身材料、频率选择表面、太赫兹成像、智能通信、光电检测等领域。本文结合国内外研究现状,综述了PMA的研究近况与发展前景,以期获得对PMA更全面的理解。最后对PMA的发展趋势和应用前景进行了深入探讨,多功能、结构简单的新型PMA是未来的发展趋势。