基于近零介电常数材料的热辐射调控研究进展

热辐射调控基于热辐射特性和物质相互作用实现对热辐射强度、频谱分布和方向的调控,在能量转化、传感等领域具有广泛的科学研究价值。传统热辐射材料受限于材料本身辐射吸收特性而无法实现按需设计及可控热辐射性能。近零介电常数(ENZ)材料因其特定波长附近介电常数近零而具有低折射率、强色散和电场增强等独特电磁响应特性,在调控热辐射方面具有巨大潜力。本文介绍了不同红外波段的ENZ材料分类以及ENZ材料电场增强机理,并围绕研究工作重点论述了近几年基于ENZ材料的宽带、定向、动态及可见兼容红外热辐射调控器的结构设计及最新进展,最后总结了基于ENZ材料的热辐射调控器目前所面临的挑战并展望了其未来发展方向。

近零介电常数材料用于天线口面加载研究

近零介电常数材料常用于口面加载以修正天线波前相位,提高口径效率。在对以往金属线阵周期结构研究基础上,提出了介质镀膜板周期结构的近零介电常数材料,并基于NRW本构参数法计算得到了该材料的等效介电常数,依据口面相位差平方和最小原则研制了中空形式的介质镀膜中空板加载结构。实验结果表明,X波段角锥天线加载后其主轴增益最大提高了1.8dB,口径效率从原有0.4提高至0.6以上,相对工作带宽大于10%。

基于近零介电常数超材料的液晶可调带通滤波器设计方法研究

可调带通滤波器是物联网、卫星通信、智能天线等系统中不可缺少的关键器件之一。针对目前对可调带通滤波器小型化、低成本和高集成度等特点的应用需求,提出了一种基于液晶材料的可调带通滤波器设计方法。通过微带传输线结构实现了近零介电常数(epsilon near zero,ENZ)超材料单元结构的设计,并利用ENZ超材料的窄通道隧穿效应有效实现了窄带滤波功能,通过将3个ENZ超材料单元结构串联从而完成了带通滤波器基本结构的设计。在此基础上,将微波液晶材料引入ENZ超材料的隧穿通道中,利用液晶材料在外部驱动电压作用下介电参数可变的特性,最终实现了对带通滤波特性的有效调控。全波数值仿真结果表明,所提出的基于ENZ超材料的液晶带通滤波器能够实现中心频率15.88~16.73 GHz的调控,从而验证了设计方法的有效性。

近零介电常数材料中的非线性光学效应研究进展

非线性光学效应在现代光子学中具有极其重要的应用,但通常非线性光学效应需要强的激光光源及长的光与物质作用距离,这些需求与现代芯片上可集成光学器件构架以及超表面器件是不符的.因此,获得更强非线性性质的材料是实现低功耗、小型器件应用的关键一步.近年来,一种介电常数消失的新型材料体系,即近零介电常数材料,被报道在亚波长传播长度下具有前所未有的巨大非线性效应及超快响应.本文主要对ENZ材料及其各种非线性光学现象做简要综述,并指出该研究领域未来一些可能的研究方向.

ITO薄膜的近零介电常数波长的调控研究

近年来,氧化铟锡(ITO)薄膜因其可实现介电常数近零(Epsilon-Near-Zero,ENZ)且易于调制的特性,已经成为非线性光学和微纳光学等领域的研究热点。文章先使用射频磁控溅射法在硅基底上制备ITO薄膜,再通过椭圆偏振光谱仪测试并拟合其光学参数,探究了本底真空度、溅射功率、溅射气压、衬底温度和膜厚等因素对ITO薄膜ENZ波长的调节机制。通过优化工艺,使ITO薄膜最短ENZ波长蓝移至1094.4nm,突破了以往文献报道的极限。该研究将ITO薄膜的ENZ波长延伸至近红外短波区域,有望实现微纳光电器件相关领域向短波方向的应用拓展。

基于Ga_(2)O_(3)-SiC-Ag多层结构的介电常数近零超低开关阈值光学双稳态器件

光学双稳态这一非线性光学现象因其在全光系统中的巨大应用潜力而备受关注.然而微弱的非线性响应往往需要巨大的输入功率才能实现光学双稳态,导致其实用性不强.本文基于Ga_(2)O_(3)-SiC-Ag的金属-介电材料多层结构,在实现介电常数近零的大场增强的同时,还引入了具有大非线性系数的材料,并基于有限元法研究了介电常数近零层的厚度和长度对光学双稳态的影响.研究结果表明,光学双稳态随介电常数近零层的厚度和长度的增大而变得愈发显著,在通信波段的开关阈值低至约10^(-6)W/cm^(2),与之前报道的基于介电常数近零材料的光学双稳态相比,降低了9个数量级,展现了在光子集成电路产业化中的巨大应用潜力.

基于介电常数近零态和铟锡氧化物集成硅基波导的电光半加器

为了解决传统电光混合运算逻辑单元速率低、功耗高、尺寸大等问题,以实现电光混合高速运算,本文设计了一种基于介电常数近零态(Epsilon-Near-Zero)和铟锡氧化物(ITO)薄膜电调控的集成硅基波导电光混合半加器。利用ITO激活材料薄膜的电调控特性实现了光路通断和交叉,从而实现了两位二进制数的半加法功能,通过3D-FDTD模拟仿真对器件模型结构参数进行了优化设计。仿真实验结果表明,当施加电压为0 V和2.35 V时,器件能够完成光信号逻辑控制。电光混合半加器工作在1550 nm波长时,其插入损耗为0.63 dB,消光比为31.73 dB,数据传输速率为61.62 GHz,每字节消耗能量为13.44 fJ,整个半加器尺寸小于21.3μm×1.5μm×1.2μm。该器件具有结构紧凑、插入损耗低等特点,为高速电光混合光学逻辑器件及半加器设计提供了理论依据。

介电常数近零模式与表面声子极化模式的耦合杂化研究

介电常数近零模式为在纳米尺度上控制光与物质相互作用提供了新途径。利用衰减全反射原理分别激发Al2O3衬底的声子极化激元和GaN薄膜的介电常数近零模式,并且通过调整薄层厚度和优化空气层的间隙来实现双层结构模式的耦合杂化。使用传输矩阵法和有限时域差分法数值模拟计算了混合模式的电场分布和色散,结果表明两种模式由于满足强耦合条件而发生耦合劈裂。在有限时域差分法模拟的光谱中,色散关系的高频和低频分支在反交叉点都显示出强耦合,从电场图中可以观察到混合模式。混合模式具有高度传播特性和亚波长光限制的特点,可以作为未来红外和太赫兹纳米光子集成和通信设备的基础。

基于介电常数近零模式与间隙表面等离激元强耦合的增强非线性光学效应

非线性光学效应在光通信、光探测、量子信息等领域发挥着举足轻重的作用,然而天然材料的光学非线性响应通常很弱.本文利用氧化铟锡(ITO)薄膜激发的介电常数近零模式,与金属-介质-金属结构激发的间隙表面等离激元发生强耦合,在近红外波段实现宽带(约1000 nm)的增强非线性光学效应,其非线性折射率n_(2)的最大值可达3.02 cm^(2)/GW,与之前报道的单层ITO薄膜的非线性折射率相比,增大了接近3个数量级.因此,可在低功率光照下得到显著的折射率变化,可望应用于全光存储、全光开关等纳米光子器件的设计.

基于介电常数近零媒质的舰船隐身材料微波传感器

舰船雷达波材料技术是减缩水面舰船雷达波散射截面,提高全舰雷达波隐身性能的重要手段,准确、有效地测量隐身吸波材料的复介电常数对舰船雷达波隐身的研究起重要作用。本文提出一种基于介电常数近零(ENZ)媒质的高性能微波传感器,通过将隐身吸波材料放置于传感器的一端或两端,基于谐振法进行复介电常数的精确测量。该传感器结构简单、灵敏度高,具有小型化、易集成、低成本和易共形测量等优点。

介电常数近零材料的光学辐射增强

采用各向异性磁导率近零介电常数壳层的柱形结构来实现光学辐射的增强。首先,建立研究壳层磁导率各向异性柱形结构光学散射的全波电磁散射理论;然后,通过调节柱形结构核层介电常数、壳层磁导率分别观察各向同性壳层柱形结构和各向异性壳层柱形结构功率增强因子的变化规律,并将各向同性壳层柱形结构的电场与各向异性壳层柱形结构的电场进行比较。研究结果表明:增大各向同性柱形结构壳层的磁导率,以及增大各向异性壳层柱形结构核层介电常数,可以使柱形结构的光学辐射得到加强,并且实现光学辐射增强的内半径得以减小;此外,文章研究的各向异性壳层柱形结构的电场比各向同性壳层柱形结构电场更大更稳定,从而各向异性壳层柱形结构具有更好的可调性和稳定性。

基于介电常数近零媒质的几何无关双频天线

基于波导等效的近零介电常数(ENZ)超材料可以实现电磁波的零相位差传输,从而实现了辐射特性不受几何形状影响的双频天线。不同于传统的辐射元件,本文采用了光子掺杂技术来实现双频谐振,同时可以提高天线的辐射效率,并且掺杂剂的位置不会影响谐振频率。在本工作中,通过仿真不同形状和拓扑结构的天线,实验验证了这种形状无关的辐射特性,设计的ENZ天线都保持在两个相同的频率下谐振,但远场辐射模式可以根据需求灵活变化,从单波束到多波束、从宽波束到窄波束。这种由材料决定的与几何无关的辐射特性可能为无线通信、传感和波前工程等领域提供更加灵活的设计思路。

基于近零指数超材料的频分复用信息传输

面向高速传输信息的需求,基于近零指数超材料概念提出了一种全新的频分复用实现架构.所采用的近零指数超材料由一块近零介电常数背景和任意排列的光学掺杂异质体构成.解析理论表明,光学掺杂异质体可以灵活调控近零指数超材料整体的等效磁导率以及传输响应,所以在其周围环绕金属屏蔽环并加载开关,即可实现对多频带传输幅度的独立调制.数值仿真和理论计算结果表明,当加入N个光学掺杂异质体,即可形成N路信息传输通道,有效提升信道容量.基于近零指数超材料的频分复用实现架构具有部署灵活、易于调节等优势,且近零介电常数响应可以在微波、太赫兹乃至光学波段被实现或模拟,因而所提出信息传输架构可以在广阔的频段具有良好的应用前景.

非线性介电常数近零材料:基于时变热能的诠释

近年来,具备介电常数近零(Epsilon-Near-Zero, ENZ)特性的透明金属氧化物材料及其在非线性光学领域的应用吸引了国内外学者的广泛关注.人们通常认为ENZ材料中的巨大光学非线性的物理根源是激光泵浦下透明金属氧化物材料导带内自由电子等效质量的巨大变化.最近的一项研究通过引入时变电子热能的概念,更完善地诠释了ENZ材料的瞬态非线性光学响应,相关理论得到了实验的验证.

介电常数近零复合超表面偏振相关非线性光学特性研究

介电常数近零(Epsilon-near-zero,ENZ)复合超表面是一种由ENZ材料和金属纳米单元构成的超结构,因其可有效增强光场与物质相互作用而受到关注.本文设计并制备了基于氧化铟锡(Indium Tin Oxide,ITO)薄膜和金属纳米结构的非线性超表面,实验研究了该ENZ复合超表面宽波段偏振相关的非线性光学响应特性.与单一ITO薄膜相比,该ENZ复合超表面的非线性吸收系数和非线性折射率提高了2个数量级,并且可以有效增强三次谐波的产生.通过改变入射光的偏振状态,可以实现该复合超表面非线性折射和非线性吸收系数符号和大小的调控,并在x偏振入射条件下观察到最大~1.97 THz的蓝移.研究结果表明,该ENZ复合超表面可为发展高集成微纳光电器件提供材料平台,并可为微纳尺度下光场高效调控提供超快全光手段.

Goos-Hanchen位移数值求解及其在光学教学中的应用

微纳光学中Goos-H?nchen位移是重要的现象,虽然通过稳相法可得其数值结果,但学生很难将求解过程与实际物理现象相联系.针对此问题,本文提出基于角谱理论计算光斑的空间分布及反射光斑与入射光斑之间的位移.由于稳相法适用于有限孔径平面波和傍轴高斯光束,为了与稳相法结果对比,本文以高斯光束入射至近零介电常数介质为例进行计算,相关数值计算步骤可推广至任意均匀各向同性介质、任意模式光束的计算,结果表明当入射角度远离临界角时数值计算与稳相法结果相符,但在临界角附近,稳相法结果中存在相位突变形成的极点,不符合实际情况,而数值结果能够更准确的描述高斯光束的偏移情况.本文提供了另一个角度来观察实际光束的Goos-H?nchen位移,可帮助学生加深对Goos-H?nchen位移的理解,了解稳相法适用条件及光束强度分布的变化.

单层ITO薄膜在ENZ波段增强非线性光学效应的研究

在玻璃基底上镀35nm厚的ITO薄膜,通过椭偏仪测量ITO薄膜的线性介电常数。由于ITO具有高掺杂浓度,因此其介电常数可以用Drude模型来进行量化计算,得到其介电常数近零(ENZ)波长约为λ=1100nm。借助双温模型计算电子温度和晶格温度随时间的变化,根据电子温度的升高计算等离子体频率的变化,将其带入Drude模型中,可以得到一个新的介电常数,最后可以通过计算折射率的变化,从而求出非线性折射率n_(2)。计算结果表明,在ENZ波长入射时,可以得到最大非线性折射率n_(2)=4.66×10^(-15) m^(2)/W。因此,实验中选取的材料可在低功率光照下得到显著的折射率变化,可望应用于全光存储、全光开关等纳米光子器件的设计。

零折射率材料的物理与应用

零折射率材料因其异常的电磁/光学特性在电磁波操控、新型天线和波导器件、非线性光学、光学吸收、电光调制等领域有着广泛的应用前景。文章首先介绍了零折射率材料的分类和实现方法,然后总结了零折射率材料的基本概念和电磁/光学特性,包括电磁波在零折射率材料中的折射、反射特性和"隧穿"效应,掺杂杂质对二维和三维体系的零折射率材料的影响,各向异性零折射率的电磁特性,零折射率材料内外的电场分布特性;最后介绍了零折射率材料的部分典型应用,并对零折射率材料的研究进行了展望。

基于氧化铟锡主动超表面的相位调制

透明导电氧化物由于特殊的光学性能,已经被广泛地运用于光电器件中。在近红外波长范围内,其介电常数实部将从正转变为负。在介电常数近零(ENZ)区域中,光与物质之间将产生强相互作用,由此将有望实现较宽的相位调制。采用基于氧化铟锡(ITO)的金属-氧化物-半导体电容器(MOS)结构,通过施加0~5 V的偏置电压,对界面附近1 nm厚度内的载流子浓度进行调制,实现了在1470 nm处的接近265°的相位调控。在相位调制的基础上,探索了该结构在光束偏转和聚焦方面的实际应用。此外,双栅型MOS结构的设计进一步拓宽了相位覆盖的范围。