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下册 3

第四篇 亚波长电磁器件及系统 3

第14章 相位型光学超构表面 3

14.1 相位型超表面分类 3

14.2 相位型器件设计方法 3

14.2.1 电磁偏折器 4

14.2.2 平面透镜 4

14.2.3 相位型电磁超振荡透镜 5

14.2.4 涡旋光产生器 6

14.2.5 贝塞尔光束产生器 7

14.2.6 相位型计算全息图 7

14.3 传输相位型超表面器件 10

14.3.1 SP波导传输相位超表面器件 11

14.3.2 等效折射率型介质超表面器件 23

14.4 电路型相位超表面器件 25

14.4.1 反射式电路型相位超表面器件 28

14.4.2 透射式电路型相位超表面器件 33

14.5 几何相位型超表面器件 35

14.5.1 几何相位型超表面透射器件 35

14.5.2 几何相位型超表面反射全息器件 59

14.6 电路型—几何相位相结合的超表面器件 61

14.6.1 V形光天线对电磁波的振幅和相位调制 62

14.6.2 V形结构光束偏折器 64

14.6.3 V形结构聚焦透镜 64

14.6.4 V形结构涡旋光束产生器 66

14.6.5 V形结构全息器件 67

14.6.6 C形结构超构表面 68

参考文献 69

第15章 悬链线光学 74

15.1 光学中的曲面和曲线 74

15.1.1 折反射光学中的曲面问题 74

15.1.2 光学测地线中的曲面问题 77

15.1.3 平面光学中的曲线问题 81

15.2 光学悬链线 82

15.2.1 悬链线方程 82

15.2.2 折反射光学中的悬链线 86

15.2.3 光学测地线中的悬链线 87

15.2.4 平面光学中的悬链线 91

15.3 平面光学悬链线的应用 94

15.3.1 异常偏折及自旋霍尔效应 94

15.3.2 贝塞尔光束产生 96

15.3.3 完美涡旋光束产生 100

15.3.4 平面光学悬链线的变形及应用 103

15.3.5 相干技术提高光学悬链线结构器件效率 105

参考文献 111

第16章 亚波长电磁吸收技术 113

16.1 经典吸波材料及理论 113

16.1.1 Salisbury吸收屏 114

16.1.2 Jaumann吸波体 115

16.1.3 Planck-Rozanov带宽-厚度极限 117

16.2 亚波长电磁吸收材料的设计思路 118

16.2.1 传播波—束缚波转换 118

16.2.2 基于电磁谐振的局域电磁吸收 119

16.2.3 超表面理想电磁吸收模型 123

16.3 基于两波转换的电磁吸收器 124

16.3.1 金属孔阵列中的完美电磁吸收 125

16.3.2 结构参数对吸收特性的影响 126

16.3.3 孔阵列吸波材料的带宽拓展方法 127

16.4 大角度电磁吸收超材料 130

16.4.1 基于金属线对的大角度吸收器 130

16.4.2 六方晶格排布的全向电磁吸收器 132

16.5 基于理想吸收超表面的宽带电磁吸收材料 135

16.6 基于金属球腔的光波段宽带电磁吸收材料 138

16.7 可见光透明宽带电磁吸收材料 141

16.8 相干完美吸收 144

16.8.1 基于导电薄膜的超宽带相干吸收 145

16.8.2 基于镜像原理的大角度相干吸收器 150

16.8.3 基于相干吸收的光逻辑运算 153

16.9 其他亚波长电磁吸收器 155

16.9.1 基于衍射调控的宽带太赫兹电磁吸收材料 155

16.9.2 可调谐吸波材料 157

16.9.3 基于电磁吸收材料的热辐射调控 160

16.9.4 基于垂直生长碳纳米管的宽带光波吸收器 163

参考文献 165

第17章 亚波长偏振调制技术 169

17.1 电磁波的偏振特性 170

17.1.1 电磁波偏振基本理论 170

17.1.2 电磁波偏振的表示方法 172

17.2 传统偏振调制技术和偏振检测技术 175

17.2.1 传统偏振器件 175

17.2.2 偏振技术的应用 176

17.3 基于各向异性亚波长结构的偏振调制器件 178

17.3.1 各向异性亚波长结构的分析方法 178

17.3.2 各向异性亚波长结构偏振调制研究进展 179

17.3.3 超薄各向异性圆偏振器 179

17.3.4 偏振转换的色散调制数理模型 182

17.3.5 基于二维色散调制的宽带偏振转换器件 186

17.4 基于手性亚波长结构的偏振调制器 191

17.4.1 手性材料的分析方法 191

17.4.2 手性亚波长结构偏振调制研究进展 195

17.4.3 多频多偏振态平面手性圆偏振器 198

17.4.4 四频点低损耗手性圆偏振器 202

17.4.5 双频手性线偏振转换器件 205

17.4.6 同时具备圆二色性和旋光性的偏振转换器 208

17.4.7 非本征的亚波长手性结构 209

17.4.8 光学手性近场增强效应 210

17.4.9 亚波长手性结构的其他特性 212

17.5 亚波长结构相干偏振转换 213

17.5.1 理论模型 213

17.5.2 金属网格实现超宽带相干偏振转换 215

17.5.3 三维手性亚波长结构中的相干偏振转换 218

参考文献 220

第18章 亚波长天线和辐射技术 223

18.1 天线的基本参数 223

18.1.1 辐射方向图 223

18.1.2 方向性系数 224

18.1.3 天线的辐射效率和增益 225

18.1.4 输入阻抗及驻波比 225

18.1.5 天线的偏振态 226

18.1.6 天线的带宽 226

18.2 常用的微波天线种类 227

18.2.1 贴片天线 227

18.2.2 喇叭天线 228

18.2.3 偶极子天线 228

18.3 基于亚波长结构的微波天线技术 229

18.3.1 亚波长结构高方向性天线 229

18.3.2 亚波长结构偏振调制天线 246

18.3.3 亚波长结构辐射方向调控天线 253

18.3.4 基于亚波长结构的天线宽带化设计 266

18.4 纳米光学天线技术 271

18.4.1 纳米光学天线研究背景 272

18.4.2 纳米光学天线概念的提出 272

18.4.3 纳米光学天线的研究进展与应用 274

18.5 金属沟槽阵列光学天线 280

18.5.1 亚波长沟槽结构的电磁调制理论 280

18.5.2 单方向定向辐射金属沟槽阵列天线 281

18.5.3 多方向定向辐射金属沟槽阵列天线 286

18.5.4 角宽可控均匀辐射金属沟槽阵列天线 290

18.6 基于沟槽阵列结构的金属微结构天线 295

18.6.1 基于亚波长周期沟槽结构的高方向性缝隙天线 295

18.6.2 集成周期沟槽加载型微带贴片天线 298

18.7 纳米激光器 299

18.8 小结 301

参考文献 302

第19章 表面等离子体传感技术 310

19.1 表面等离子体共振传感技术 310

19.1.1 表面等离子体共振传感的基本原理及结构 310

19.1.2 SPR传感器的灵敏度 312

19.1.3 表面等离子体共振成像 312

19.1.4 SPR传感器的特点 313

19.2 局域表面等离子体共振传感技术 314

19.2.1 LSPR传感技术的概念及特点 314

19.2.2 球形纳米粒子的LSPR 316

19.2.3 典型纳米粒子的制备方法 318

19.2.4 基于纳米球光刻的LSPR传感器 323

19.3 表面增强拉曼散射传感技术 333

19.3.1 SERS概念 333

19.3.2 SERS机理 335

19.3.3 金属纳米结构的电磁场增强效应 336

19.3.4 基于AgFON的葡萄糖探测 343

参考文献 347

第20章 亚波长隐身和反隐身技术 349

20.1 隐身技术概述 349

20.1.1 隐身技术的概念 349

20.1.2 隐身技术发展历史 349

20.1.3 雷达隐身技术 352

20.1.4 红外隐身技术 355

20.2 基于吸波材料的电磁隐身技术 357

20.3 基于虚拟赋形的电磁隐身技术 357

20.3.1 基于变换光学的隐身衣 357

20.3.2 基于超表面的虚拟赋形 362

20.3.3 基于零折射率材料的RCS缩减技术 367

20.4 反隐身技术概述 370

20.4.1 传统隐身技术存在的问题 371

20.4.2 反隐身的主要技术手段 371

参考文献 375

第21章 亚波长电磁仿生学 378

21.1 自然界中的光学结构 378

21.1.1 植物中的微纳光学结构 378

21.1.2 动物中的微纳光学结构 382

21.2 结构色的成色机理 391

21.2.1 膜层干涉效应 392

21.2.2 衍射效应 393

21.2.3 散射效应 394

21.3 亚波长光学仿生器件 395

21.3.1 复眼结构的亚波长仿生技术 395

21.3.2 消反膜的仿生技术 398

21.3.3 偏振调制亚波长仿生技术 402

21.4 人工仿生结构色 407

21.4.1 具有光子晶体结构色的蚕丝织物 408

21.4.2 基于纳米金属结构色的高分辨率彩色滤光片 408

21.5 仿生加工方法 419

参考文献 421

第22章 亚波长电磁动态和智能器件 424

22.1 基于亚波长结构的波束扫描天线 424

22.1.1 动态相位调制原理 425

22.1.2 相位调制材料对电磁波辐射方向的调控原理 426

22.1.3 基于频率选择表面的扫描天线 427

22.1.4 基于反射阵列的波束扫描天线 438

22.1.5 基于传输阵列的波束扫描天线 439

22.2 基于亚波长结构的智能电磁吸收 447

22.2.1 基于二极管的L波段动态电磁吸收结构 449

22.2.2 基于石墨烯的太赫兹波段动态电磁吸收器件 455

22.3 偏振动态调控亚波长结构 460

22.3.1 手性智能偏振调控结构 460

22.3.2 各向异性动态偏振调控结构 463

22.4 基于柔性可延展材料的智能器件 465

参考文献 468

第23章 平面亚波长成像技术 472

23.1 小孔成像技术 472

23.2 波带片成像 474

23.3 光子筛成像 478

23.4 平面衍射成像 480

23.4.1 平面衍射透镜设计 480

23.4.2 平面衍射透镜的色散特性 481

23.4.3 平面衍射透镜的色散补偿 483

23.4.4 基于平面衍射透镜的望远镜系统 486

23.4.5 轻量化平面衍射透镜成像实验系统 491

23.5 超表面红外成像 496

23.6 其他微纳结构成像 499

参考文献 501

第五篇 超衍射光学 505

第24章 远场超衍射成像 505

24.1 衍射极限与超衍射光学 505

24.1.1 衍射极限概述 505

24.1.2 衍射受限的经典和量子理论 507

24.1.3 广义衍射极限及超衍射光学 509

24.2 传统分辨力增强技术 510

24.2.1 共聚焦激光扫描显微镜 510

24.2.2 结构光照明超分辨技术 512

24.3 基于超振荡光场的超衍射远场成像 514

24.3.1 从光瞳滤波器到超振荡 514

24.3.2 Bessel光束超衍射成像 517

24.3.3 基于长椭球函数的超振荡光瞳滤波器 519

24.3.4 超振荡望远镜 520

24.4 微球超衍射成像 532

24.5 荧光超衍射成像技术 534

24.5.1 受激辐射损耗超分辨技术 534

24.5.2 基于单分子定位的荧光超分辨显微技术 543

参考文献 543

第25章 近场超衍射成像 547

25.1 衍射极限与近场衍射极限 547

25.2 基于超透镜的超衍射成像 549

25.2.1 超透镜成像的基本理论 549

25.2.2 基于金属-介质多层膜的超分辨成像 551

25.3 基于超透镜的超衍射相衬成像 555

25.3.1 超衍射SP相衬成像技术原理 555

25.3.2 基于MIM透镜的超衍射相衬成像 557

25.3.3 MIM结构透镜的折射率差分辨力 559

25.3.4 MIM结构透镜的空间分辨力 560

25.3.5 MIM结构透镜相衬成像的实验验证 561

25.4 基于双曲超透镜的超衍射放大和缩小成像 563

25.4.1 基于双曲透镜的缩小成像 564

25.4.2 双曲透镜和超透镜组合成像方法 568

25.4.3 平板结构超分辨缩小成像设计方法 569

参考文献 574

第26章 超衍射光刻 576

26.1 传统光刻分辨力增强技术 576

26.1.1 相移掩模技术 576

26.1.2 离轴照明技术 578

26.1.3 邻近效应校正 579

26.1.4 光瞳滤波技术 580

26.2 表面等离子体超衍射光刻 581

26.2.1 表面等离子体超衍射干涉光刻 581

26.2.2 表面等离子体超衍射成像光刻 597

26.2.3 表面等离子体超衍射聚焦直写光刻 617

26.3 远场超衍射光束直写光刻 621

26.3.1 基于多光子吸收效应的双光束超衍射直写 622

26.3.2 基于单光子吸收的超衍射光束直写 624

26.3.3 基于吸收率调制材料的超衍射光束直写 625

参考文献 626

第27章 超衍射传输 631

27.1 表面等离子体波导 631

27.1.1 金属纳米颗粒波导 631

27.1.2 金属薄膜、条带及纳米线波导 632

27.1.3 金属狭缝波导 633

27.1.4 混合型表面等离子体波导 634

27.1.5 石墨烯表面等离子体波导 635

27.1.6 有源和非线性波导 636

27.1.7 等离子体波导与传统光学纳米线的融合 638

27.2 表面等离子体波导器件 640

27.2.1 激光器 640

27.2.2 滤波器 641

27.2.3 分束器 646

27.2.4 调制器 650

27.3 表面等离子体波导中的新颖现象 656

27.3.1 类电磁诱导透明 656

27.3.2 轨道角动量的超衍射传输 661

参考文献 664

后记 668

名词索引 676

缩写索引 691