亚波长电磁学 上PDF电子书下载

上册 3

第一篇 亚波长电磁学基础 3

第1章 亚波长电磁学概述 3

1.1 亚波长电磁学的基本概念 3

1.1.1 亚波长尺度 3

1.1.2 衍射和散射 4

1.1.3 衍射极限 4

1.1.4 亚波长电磁学的数理基础 4

1.1.5 亚波长电磁学的研究范畴 5

1.1.6 表面等离子体 5

1.1.7 超材料 6

1.1.8 超表面 7

1.1.9 光子晶体和电磁带隙 7

1.1.10 亚波长仿生电磁学 7

1.2 亚波长电磁学的主要研究领域 8

1.2.1 表面等离子体——亚波长结构中自由电子的集体振荡 8

1.2.2 超材料——三维亚波长结构材料 17

1.2.3 超表面——二维亚波长结构材料 26

1.2.4 光子晶体——光子半导体 32

1.3 亚波长电磁学的发展趋势 35

1.3.1 经典定律和极限的推广 35

1.3.2 从电磁学到多学科交叉 37

1.3.3 新的材料体系 44

参考文献 49

第2章 亚波长电磁学的基本材料 63

2.1 金属材料 63

2.1.1 金属材料介电常数模型 63

2.1.2 不同频段金属电磁特性总结 70

2.1.3 常见金属材料的光学常数 71

2.2 介质材料 73

2.2.1 电介质 74

2.2.2 光学介质 76

2.2.3 微波介质 81

2.3 半导体材料 82

2.3.1 半导体材料的主要性质 82

2.3.2 半导体材料的分类 84

2.3.3 钙钛矿类晶体材料 85

2.4 可变材料 87

2.4.1 阻变材料 88

2.4.2 色变材料 89

2.4.3 相变材料 90

2.4.4 柔性可延展材料 94

2.4.5 液晶 96

2.5 二维材料 100

2.5.1 石墨烯材料 101

2.5.2 二硫化钼 103

2.5.3 六方氮化硼 104

2.5.4 二维材料的制备方法 107

2.6 瞬态材料 108

2.6.1 瞬态材料的概念 108

2.6.2 功能转换型瞬态材料 109

2.6.3 功能失效型瞬态材料 111

2.6.4 结构损毁型瞬态材料 112

参考文献 115

第3章 亚波长电磁学的主要数值计算方法 117

3.1 有限差分时域算法 117

3.1.1 FDTD的基本原理 117

3.1.2 数值稳定性条件 119

3.1.3 数值色散问题 119

3.1.4 边界条件的设置 120

3.2 有限元法 121

3.3 有限积分法 124

3.4 传输矩阵法 126

3.5 格林函数法 128

3.5.1 并矢 128

3.5.2 并矢格林函数 128

3.5.3 利用并矢格林函数求空间的场 129

3.6 多重多极子程序法 130

3.6.1 MMP基本原理 130

3.6.2 边界条件 132

3.6.3 MMP中点匹配技术 132

3.7 严格耦合波分析方法 133

3.8 基于各种数值仿真方法的现代电磁商业软件 136

3.8.1 HFSS 136

3.8.2 CST Microwave Studio 137

3.8.3 FDTD Solutions 137

3.8.4 COMSOL Multiphysics 137

参考文献 138

第二篇 亚波长电磁学理论 141

第4章 超材料理论 141

4.1 负折射率理论 141

4.1.1 负折射率理论推导 141

4.1.2 负折射材料特性 143

4.2 等效介质理论 146

4.3 负折射材料的设计 148

4.3.1 等效介电常数的调制 148

4.3.2 等效磁导率的调制 154

4.3.3 散射参数反演法实例 157

4.4 负折射材料 161

4.4.1 微波波段的负折射材料 161

4.4.2 太赫兹波段的负折射材料 166

4.4.3 光波段的负折射材料 167

4.5 关于负折射率的争论 171

4.6 左手传输线 172

4.6.1 左手传输线理论 172

4.6.2 复合左右手传输线 174

4.6.3 左手传输线的应用 177

4.7 零折射材料 179

4.7.1 电磁场在DNZ材料中的传播特性 180

4.7.2 零折射率材料中的能量隧穿效应 183

4.8 超高折射率材料 191

参考文献 194

第5章 超构表面理论 197

5.1 超构表面结构和电磁表面波概念 197

5.1.1 超构表面结构 197

5.1.2 电磁表面波 198

5.2 超表面的基本属性 198

5.2.1 典型超表面的阻抗特性 198

5.2.2 单一界面的传播特性分析 200

5.2.3 多层界面上表面波的传播特性 201

5.2.4 电磁表面波的传输特性 205

5.2.5 表面波的超短波长特性 206

5.2.6 超表面结构中表面波的宽带色散特性 207

5.2.7 超表面结构的相位调制能力 208

5.3 突破传统限制的超表面理论 220

5.3.1 超表面辅助的衍射理论 220

5.3.2 超表面辅助的折射和反射定律 222

5.3.3 超表面辅助的偏振转换定律 224

5.3.4 超表面辅助的电磁吸收理论 226

参考文献 229

第6章 表面等离子体理论 233

6.1 金属与电磁波的相互作用 233

6.1.1 Drude模型 233

6.1.2 金属中的带间跃迁 233

6.2 表面等离子体 235

6.2.1 表面等离子体的色散关系 235

6.2.2 光激发表面等离子体的几种方式 236

6.2.3 准表面等离子体 239

6.3 局域表面等离子体 244

6.3.1 金属小球的LSPR 245

6.3.2 准LSP 246

6.4 表面等离子体的模式耦合理论 248

6.4.1 表面等离子体超衍射波导 248

6.4.2 金属介—质多层膜系中的表面等离子体 252

6.4.3 基于表面等离子体耦合的定向辐射 255

6.5 等离子体模式的几种重要特征和应用 259

6.5.1 表面等离子体的四个特征长度 259

6.5.2 短波长效应 261

6.5.3 表面增强拉曼散射 264

6.5.4 光电转换增强 266

6.5.5 自发辐射增强 267

参考文献 268

第7章 双曲色散材料 272

7.1 双曲色散材料基本理论 272

7.1.1 笛卡儿坐标系下的色散方程 272

7.1.2 柱坐标系下的色散方程 275

7.1.3 光束传播的半经典理论 276

7.2 双曲色散材料的实现方式 278

7.2.1 基于金属—介质多层膜的双曲色散材料 278

7.2.2 基于纳米线阵列的双曲色散材料 283

7.2.3 双曲色散材料的选择 284

7.3 双曲色散材料中SPP的定向传输特性 285

7.3.1 金属—介质多层膜定向传输特性的定性分析 285

7.3.2 金属—介质多层膜定向传输特性的定量分析 286

7.3.3 双曲色散材料与各向同性材料交界面处的负折射 288

7.4 双曲色散材料的空间滤波特性 289

7.4.1 金属—介质多层膜的光学传递函数 289

7.4.2 金属—介质多层膜空间滤波特性的莫尔干涉条纹表征 290

7.4.3 离轴照明下的莫尔干涉条纹 293

7.5 双曲色散材料的典型应用 294

7.5.1 双曲透镜及超衍射成像 294

7.5.2 超分辨光刻 299

7.5.3 非对称传输 299

7.5.4 自发辐射调控 302

7.5.5 热辐射调控 304

7.5.6 有源和可调谐双曲材料器件 305

7.6 双曲色散超表面 306

参考文献 308

第8章 光子晶体 310

8.1 光子晶体的概念 310

8.2 光子带隙理论 311

8.3 光子晶体的分析方法 313

8.4 光子晶体的电磁效应及应用 316

8.4.1 光子晶体导波效应 316

8.4.2 光子晶体滤波及应用 323

8.4.3 光子晶体激光器 326

8.4.4 手性光子晶体的圆偏振分束效应 331

8.4.5 基于光子晶体的宽波段角度选择 333

8.4.6 光子晶体中的二次谐波产生 334

8.4.7 基于光子晶体的无源辐射制冷效应 342

8.4.8 基于光子晶体的介质零折射率材料 343

8.4.9 基于光子晶体的拓扑绝缘体 344

8.4.10 光子晶体光纤 350

参考文献 356

第三篇 亚波长电磁结构加工和表征技术 365

第9章 可见光、红外及太赫兹波段亚波长结构加工技术 365

9.1 高精度衬底加工技术 365

9.1.1 化学机械抛光（CMP） 365

9.1.2 磁流变抛光 370

9.1.3 离子束修形 375

9.2 薄膜沉积技术 380

9.2.1 真空蒸发沉积 380

9.2.2 溅射沉积 386

9.2.3 分子束外延生长 392

9.2.4 化学气相沉积 396

9.2.5 原子层沉积技术 402

9.2.6 电镀 407

9.3 图形加工技术 408

9.3.1 图形直写技术 409

9.3.2 光学成像光刻技术 450

9.3.3 激光干涉光刻 459

9.3.4 纳米压印 462

9.3.5 自组装技术 467

9.4 图形转移技术 476

9.4.1 溶脱剥离技术 477

9.4.2 湿法腐蚀技术 478

9.4.3 离子束刻蚀技术 482

9.4.4 反应离子刻蚀技术 489

9.4.5 反应离子深刻蚀技术 494

9.4.6 原子层刻蚀技术 501

参考文献 506

第10章 微波波段亚波长电磁结构加工技术 520

10.1 印制电路板制作技术 520

10.1.1 衬底基材 520

10.1.2 紫外光刻工艺 521

10.1.3 高精密机械雕刻工艺 531

10.1.4 激光加工工艺 531

10.2 低温共烧结陶瓷制作技术 532

10.2.1 LTCC材料 533

10.2.2 LTCC加工流程 533

10.3 表面贴装技术 538

10.4 3D打印 540

10.4.1 3D打印材料 540

10.4.2 3D打印技术 541

10.4.3 3D打印在微波波段亚波长电磁结构加工中的应用 545

10.5 4D打印 546

参考文献 547

第11章 亚波长结构的典型加工实例 549

11.1 超材料加工 549

11.1.1 负折射率材料的加工 549

11.1.2 零折射率材料的加工 554

11.1.3 超高折射率材料的加工 555

11.1.4 手性超材料的加工 556

11.2 表面等离子体器件加工 559

11.2.1 表面等离子体高分辨彩色滤光片加工 559

11.2.2 表面等离子体薄膜光伏器件加工 563

11.2.3 局域表面等离子体传感结构加工 566

11.2.4 可见光波段倏逝波定向传输及莫尔条纹器件加工 568

11.3 超表面加工 571

11.3.1 平面超表面结构加工 571

11.3.2 平面多层超表面结构加工 579

11.3.3 曲面多层超表面结构加工 583

11.4 光子晶体加工 584

11.4.1 一维光子晶体加工 584

11.4.2 二维光子晶体加工 585

11.4.3 三维光子晶体加工 586

参考文献 596

第12章 亚波长结构、材料及器件形貌表征技术 602

12.1 光学显微测量技术 602

12.1.1 目镜分划测量法 603

12.1.2 显微镜与电子技术结合的方法 603

12.2 光学干涉面形测量技术 604

12.2.1 Twyman-Green型干涉检测系统 604

12.2.2 Fizeau型干涉检测系统 605

12.2.3 点衍射干涉检测系统 606

12.3 光学扫描成像技术 607

12.3.1 共聚焦激光扫描光学显微技术 607

12.3.2 离焦显微成像技术 609

12.3.3 偏振干涉成像技术 609

12.3.4 外差干涉测量技术 610

12.3.5 白光干涉测量技术 611

12.4 探针扫描成像技术 613

12.4.1 机械式探针扫描轮廓仪 613

12.4.2 扫描隧道显微镜 614

12.4.3 原子力显微镜 615

12.5 电子成像技术 618

12.5.1 扫描电子显微镜 618

12.5.2 透射电子显微镜 620

参考文献 622

第13章 亚波长结构、材料及器件电磁性能表征技术 624

13.1 亚波长结构材料的本构参数表征 624

13.1.1 基于斯涅耳定律的折射率表征方法 624

13.1.2 基于参数反演的表征方法 625

13.2 亚波长结构材料及器件的频谱表征 633

13.2.1 微波段频谱表征 633

13.2.2 太赫兹波段光谱性能表征 635

13.2.3 红外波段光谱性能表征 636

13.2.4 紫外-可见光波段光谱性能表征 638

13.3 亚波长结构器件远场辐射性能表征 642

13.3.1 微波段远场辐射性能表征技术 642

13.3.2 光波段远场辐射性能表征技术 648

13.4 亚波长结构材料及器件近场性能表征 653

13.4.1 微波、太赫兹波段近场性能表征 653

13.4.2 光波段近场性能表征 656

13.5 中间场表征技术 662

13.6 涡旋光束轨道角动量表征技术 665

13.6.1 叉状衍射光栅测量轨道角动量 665

13.6.2 平面波干涉法测量轨道角动量 666

13.6.3 杨氏双缝等孔径干涉法测量轨道角动量 666

13.6.4 角向相位梯度转化测量轨道角动量 667

参考文献 668