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耦合超构材料中共振杂化、旋光与传感特性分析.pdf
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1、新材料与新技术化 工 设 计 通 讯New Material and New TechnologyChemical Engineering Design Communications48 第49卷第7期2023年7月超构材料主要是指负折射率材料或左手材料,在耦合效应的影响下,超构材料出现了更加丰富、多样的物理现象及效应,实际应用范围得到了进一步推广,受到了业内广泛关注。本文通过深入分析耦合超构材料的常见现象,充分展现出超构材料的实际使用优势,以期实现传感器与超构材料的进一步融合发展,从物理性能与机制、制备工艺、设计思路等方面寻求发展,有效拓宽行业未来发展前景。1 耦合超构材料中共振杂化针对共振
2、杂化的探究,选择基于 形耦合结构,其本身具备电磁感应透明(EIT)效应,引入手性,通过手性耦合结构,达到圆偏振依赖共振杂化的效果,接近 EIT 状态,通过谱线以及场分布等进行模拟,探究其内在物理机制。1.1 结构设计该 形耦合结构,主动谐振单元中原本 z 形平面结构,由光频天线代替,借此让手性耦合结构元胞中包含 z 形平面的手性及无手性两个主要部分,元胞按照 x 与 y 轴方向,建立正方列阵。相应结构规格模拟设 定 是:g1、g2、l1、l2、w1、w2、t1、t2分 别 是 620、480、335、200、100、120、40、40 nm,各个单元间的垂直距离(d)是70 nm。z 形结构倾
3、斜区域和 x 轴形成38的夹角()。金属调和 z 形结构在水平方向上位移(s)100 nm,x 与 y 轴方向的该列阵周期都是800 nm。为尽量模拟出真实的状态,为金属结构搭配石英衬底,折射率(n)是1.50。而 z 形结构与无手性金属条,通过高分子材料完全隔开,n 为1.55。其中,金属结构质地是银,通过 Drude 模型确认介电函数1。考虑到大部分金属微结构内,晶界处电子均要承受巨大散射,所以模拟选用 FDTD 方法,把元胞周期排列方向上的边缘,当成周期性的边界框架,把入射波的运行方向对应边界,假定成 PML(完美匹配层边界)。1.2 模拟过程对于 z 形结构的模拟分析,从透射谱上能发现
4、,LP、RCP 与 LCP 入射,都形成具有一定宽度的透射低谷,反射峰与吸收峰都比较弱,此种表现说明该结构出现较高的辐射损耗。三个偏振态下,z 形结构相应共振频率(f)是242THz,出现累积电荷数量一致,但符号相反的情况,这主要是由于此种结构本身拥有旋转对称性。RCP 入射状态下,z 形结构中平行区域电流强度超过倾斜处,而 LCP 入射时正好相反,但最高电流强度弱于 RCP。另外,LP 入射中,电流强度分布表现与 RCP 相同。此结构面对三个偏振态时摘要:超构材料涉及微纳米加工、光子学、电磁学、光学等众多学科,主要由尺寸小于激发波长的磁共振结构组成,被广泛应用于隐形、负折射、人造黑洞、大容量
5、光存储、电磁波波束聚焦、高定向天线发射等环节,具有较强的使用价值。为尽量发挥由于耦合作用影响下超构材料的使用优势,主要对耦合超构材料中出现的共振杂化、旋光及与传感特性开展深入分析,以探究超构材料在不同领域的有效应用,充分挖掘其应用潜能,进一步推动相关领域的创新发展。关键词:超构材料;共振杂化;旋光;传感特性中图分类号:TG111文献标志码:A文章编号:10036490(2023)07004803Analysis of Resonance Hybridization,Optical Rotation,and Sensing Characteristics in Coupled Metastruc
6、tured MaterialsGuo Juan-juanAbstract:Superstructured materials involve micro/nano processing,photonics,electromagnetism,optics and many other disciplines,mainly composed of magnetic resonance structures smaller than the excitation wavelength,andarewidelyusedinstealth,Negativerefraction,artificialbla
7、ckholes,high-capacityopticalstorage,electromagneticwave beam focusing,high directional antenna emission and other links,with strong use value.In order to maximize theadvantagesofusingmetamaterialsundertheinfluenceofcoupling,thearticlemainlyconductsin-depthanalysisofresonancehybridization,opticalrota
8、tion,andsensingcharacteristicsincoupledmetamaterials,inordertoeffectivelyexploretheeffectiveapplicationsofmetamaterialsindifferentfields,fullytaptheirapplicationpotential,andfurtherpromoteinnovativedevelopmentinrelatedfields.Keywords:metamaterials;resonance hybridization;optical rotation;sensing cha
9、racteristics耦合超构材料中共振杂化、旋光与传感特性分析郭娟娟(阜阳幼儿师范高等专科学校,安徽阜阳 236015)收稿日期:20230416作者简介:郭娟娟(1989),女,安徽阜阳人,助教,主要研究方向为凝聚态物理。新材料与新技术化 工 设 计 通 讯New Material and New TechnologyChemical Engineering Design Communications 49第49卷第7期2023年7月出现的电流强度分布区别,会令金属条耦合中,形成差异化的效果,引发模式杂化以及 EIT 类比效应。金属条是被动谐振单元,其本征模式表现有两类,一是对称模式,其
10、会引发同相位振荡状态的电偶极,存在较高辐射损耗。二是反对称模式,其辐射损耗相对偏小,对应磁偶极是结构表面传导电流以及端面位移电流形成的运行回路。当金属条和 z 形结构进行耦合中,第二种本征模式能借助准静电力,由 z 结构相应间距实现激发。但需明确的是,该准静电力在金属条镜面上并非标准的反对称分布,因此金属条被激发时处于叠加态下。三个偏振光下,首先是 RCP 入射,减速条对应低频与高频的共振杂化程度接近,因此会形成 EIT 效应。反观 LP 与 LCP 入射,低频共振杂化明显弱于高频模式,也未出现显著的透明窗口。1.3 结果讨论结合相应模拟分析来看,上述手性耦合结构的共振杂化表现,根本形成原因应
11、当体现在:第一,z 形结构属于主动谐振单元,其存在手性。对于各种圆偏振态产生的激发模式,相应场分布会有区别,因此其在和金属条耦合中,引发差异化叠加态,形成不同杂化反应。第二,谐振单元之间组成的耦合结构存在手性,令谐振单元之间的耦合效应,对具体圆偏振态也有差别,出现不同共振杂化2。2 耦合超构材料中旋光效应2.1 三金属纳米棒三金属纳米棒包含三条截面是圆形的纳米棒,三者中心点依次连接可构成等腰直角三角形。高度(a)是300 nm,圆形直径(d)有100 cm。三个金属棒中,“A-B”、“B-C”两组间距是20 nm,整体能形成完全一致的两个 LC 回路。建立二维列阵,周期是500 nm,设定偏振
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