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