平面超材料对曲折线慢波结构行波管效率改善和杂模抑制的影响

针对U型曲折线慢波结构带状注行波管杂模抑制和互作用效率提高等面临的挑战,提出了一种开口菱形超材料结构。在综合考虑电路单元谐振性能、与U型曲折线慢波结构之间的协调配合以及电路实现可行性和结构简单等因素,通过电路设计和数值模拟优化等具体措施相结合,探讨这种超材料对增强注波互作用表面电场和抑制电路振荡的效果。在Ka波段优化的结果表明,这种超材料在抑制杂波和改善注波互作用效率方面效果明显,对此类行波管稳定性提高具有重要意义。     

柔性纸基生物传感器及其在肝癌检测中的应用

该文提出了一种由纳米银颗粒（Ag NPs）作为谐振器的柔性超材料生物传感器。与现有技术相比,该传感器首次在纸上实现了纳克级别甲胎蛋白（AFP）的检测。其创新之处在于超材料谐振器制备在低成本的普通纸张上。该柔性纳米银纸基生物传感器在无尘室中通过丝网印刷技术制备而成。当待测AFP吸附于Ag颗粒上时,电磁波中传感器的谐振频率产生频漂,该频漂在生物测试中作为判断标志。通过仿真和实验验证,并以葡萄球菌蛋白（SPA）作为偶联试剂,该新型纸基生物传感器具备检测20 ng/mL甲胎蛋白的能力。由于待测样品是通过电磁场直接被感应,因此,该传感器具有免标记、实时和无损的优点。该文提供了一种柔性、低成本、快速和免标记的生物检测方法,有利于生物检测学的发展。     

基于石墨烯的网格型宽带可调谐太赫兹吸波器

该文提出了一种基于石墨烯的宽带可调谐吸波器,该器件是由网格型石墨烯结构、介质层及金属地板组成。采用CST软件对器件的性能进行了仿真分析,仿真结果显示,当石墨烯费米能级时,在2.97~3.74 THz内,器件对电磁波吸收率达90%。另一方面,器件的工作频率可通过改变石墨烯的费米能级进行动态调控。当石墨烯的费米能级从0.3 eV变到0.8 eV时,器件的工作频率在2.60~4.55 THz内调谐,相对调谐带宽为56%,且在整个调谐频率范围内,器件对电磁波的吸收率始终高于90%。此外,器件的工作性能对入射电磁波的偏振方向和入射角不敏感,因此,该器件在太赫兹成像、太赫兹检测和隐身技术等领域有潜在的应用价值。     

基于石墨烯超材料的可调谐电磁诱导透明

提出了一种基于石墨烯超材料的可调谐电磁诱导 透明(EIT)结构,该结构是由长条-半圆环形状的石墨烯层和 介质基底组成。通过频域有限差分法研究了该结构的特性,研究结果表明,由于石墨烯条和 石墨烯半圆环之间发生相互 作用,产生较弱的杂化,从而可以观察到EIT透明窗口。更重要的是,通过控制门电压,改 变石墨烯的费米能级,可以 在较宽的频率范围内实现透明窗口的动态调谐。通过调节石墨烯的费米能级,在透射峰附近 群延迟接近0.4ps。同时还研 究了石墨烯条和半圆环间的距离、圆环的半径、方位角等几何参数对EIT效应的影响,这些 因素的改变对EIT 效应产生 了不同的影响。本文设计的超材料结构可应用于调制器和慢光器件等,对光开关、光存储等 新型器件的设计有重要的指导意义。     

基于VO2圆环结构的温控宽带超材料吸波器

设计了一种基于不同半径的二氧化钒（VO₂）圆环加载于介质层上的宽带可调超材料吸波器,利用VO₂随温度变化的相变特性,实现了外部温度对吸收曲线的动态调节.通过仿真计算表明,该吸波器在外部温度为350K时在8.09~11.23THz带宽范围内吸收率可达90%以上,表现出高吸收特性;而外部温度为300K时在相同频段内吸收率始终低于20%,从而实现了对电磁波吸收的可调功能.进一步对吸波器的等效阻抗和电场分布进行分析讨论,阐明VO₂对吸收性能的调节机制.此外,文章讨论了结构参数、偏振角以及入射角对吸收的影响.其结果表明,合理选择结构参数可实现吸收性能与偏振角、入射角的无关性.本文的结论对于设计其它类型的超宽带可调吸波器具有重要的指导意义.     

复合鱼鳞型超构材料中光控Fano谐振的设计

为解决传统超构材料存在的结构一旦形成,其谐振特性便无法进行动态可调的问题,本文将鱼鳞型超构材料与光电导材料硅相结合,实现了太赫兹波段Fano电磁响应的动态调控。该复合超构材料由鱼鳞型金属线、硅层以及聚酰亚胺组成。在鱼鳞型结构的金属弧线无、有缝隙两种情况下,研究了电磁波的入射角度和硅的电导率对Fano谐振的影响。当硅的电导率达到1×103S/m时,多频点电磁响应的调制深度都接近1。结果表明,调节缝隙宽度可以成为Fano谐振工作频率调控的有效方式。本文为实现超构材料中Fano谐振的可调谐特性提供了一种可行途径,对实际应用中太赫兹波的主动调控、传感等方面具有重要意义。     

一种宽角度极化不敏感的高可调谐红外超材料完美吸波体

提出了一种高度可调、宽角度且具有完美吸收和极化不敏感的超材料吸波体.模拟的结果显示, 在5.8μm处可达到最高吸收率99.9%;通过改变其几何参数, 吸波体的谐振波长在3.4μm到8.6μm的范围内可任意地调节, 且都具有不低于95%的峰值吸收率.在横磁波下, 当入射角度小于80°时, 吸波体的吸收率保持在95%以上;在横电波下, 当入射角小于60°时, 吸收率保持在92%以上.此外, 极化角度在0到90°变化时, 吸波体具有极化不敏感性.     

Level set‐based topology optimization targeting dielectric resonator‐based composite right‐ and left‐handed transmission lines

In the last decade, metamaterials have been gaining attention and have been investigated because of their unique characteristics, which conventional materials do not have, such as negative refraction indexes. However, it is sometimes difficult to design metamaterials on the basis of experience and theoretical considerations because the relationship between their electromagnetic characteristics and structure is often vague. A mathematical structural design methodology targeting metamaterials may therefore be useful for expanding the engineering applications of metamaterials in industry. In this paper, a new level set‐based topology optimization method is proposed for designing composite right‐ and left‐handed transmission lines, each of which consists of a waveguide and periodically located dielectric resonators. Such transmission lines function as a fundamental metamaterial. In the proposed method, the shape and topology of the dielectric resonators are represented by the level set function, and topology optimization problems are formulated on the basis of the level set‐based representation. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

智能超材料研究与进展

本文以智能超材料关键技术为主线,基础研究和新产品研发为辅,简要论述近年来智能超材料的发展现状和趋势。根据智能超材料所调控激元的不同,可分为智能电磁超材料,智能机械超材料,智能热学超材料,智能耦合超材料,此外两项关键技术为智能超材料新型设计与仿真技术和材料制备技术与材料基因工程。这些智能超材料在科学基础研究方面涉及超材料中多物理场耦合机制,新型人工原子与人工分子设计,超材料与自然材料的融合,超材料可调性探索和新型传感型超材料机制探求。基础研发和技术拓展将推进智能超材料施展到更加广泛的应用领域,如微型天线及无线互联,光电磁隐身,医学图像上用的完美成像,航空航天和交通车辆所用的智能蒙皮,精密仪器制程与片上实验室集成型超材料等。基于上述国内外智能超材料研究的发展趋势,本文进行了系统性的分类厘清,并分析了其研究现状,给出了我国智能超材料发展的美好愿景。     

Large gradients of refractive index in nanosphere dispersed liquid crystal metamaterial with inhomogeneous anchoring: Monte Carlo study

We study the effect of spatial inhomogeneity of anchoring forces on real part of effective refractive index in nanosphere dispersed liquid crystal (NDLC) metamaterial at infrared frequencies using the approach of Khoo et al. [1] and Monte Carlo modeling proposed recently in Ref. [2]. Local and global characterization is made using 2D maps of spatial distribution of the index, its gradients and its modulation amplitude below and above Freedericksz threshold. We find that NDLC with step-wise modulation of anchoring forces gives rise to much larger gradients and absolute values of the effective index than NDLC with modulated external electric field as well as pure nematic liquid crystal (NLC) with inhomogeneous anchoring. This indicates that the filling factor of coated spheres in NDLC is an important design parameter which tunes the effective refractive index. We find that the results are strongly dependent on wavelength in the infrared interval 2800-2900 nm. Some potential applications to molding the flow of light are briefly mentioned.