光学和声学超材料与超表面

赵晓鹏，1957年生于陕西榆林，1979年毕业于兰州大学物理系，1995年获中国科学院金属研究所工学博士学位。现为西北工业大学二级教授、材料物理与化学学科博士生导师，中国力学学会、中国化学会流变学委员会副主任；《复合材料学报》、《功能材料》杂志编委；陕西省凝聚态结构与性质重点实验室学术委员会主任。2000年国家杰出青年科学基金获得者。 长期从事智能材料，光信息材料与行为等方面研究，在Advanced Materials等国内外杂志发表SCI论文290多篇，引用4900余次，H因子40；已获授权中国发明93项，另有34项已经公开；国内外出版专著12部（章）。作为完成.人获陕西省科学技术一等奖（2005年）、二等奖（2003年、2009年）、国防科工委国防科学技术二等奖（2005年）、中国航空工业科技进步三等奖（1998年）等。获国务院政府特殊津贴、国防科技工业有突出贡献中青年专家、陕西省很好发明人等荣誉称号。

目录

前言

上篇  由下向上制备光学超材料与超表面

第1章  光学超材料与超表面概述  3

1.1  光学超材料设计  3

1.2  光学超材料新物理特性  5

1.2.1  负折射效应  5

1.2.2  完美成像超棱镜  8

1.2.3  光学隐身斗篷  9

1.3  光学超材料制备  11

1.3.1  “自上而下”刻蚀技术  11

1.3.2  “自下而上”电化学方法  13

1.4  光学超表面  14

1.4.1  光学超表面设计原理  14

1.4.2  光学超表面特征  16

1.5  光学超表面实现  17

1.5.1  Pancharatnam-Berry相位不连续  17

1.5.2  间隙模式引起的相位不连续  18

1.5.3  惠更斯超表面  19

1.5.4  超透射阵列超表面  19

1.5.5  双层光学超表面  20

1.6  光学超表面应用  21

1.6.1  光束偏转器与超透镜  21

1.6.2  光学偏振控制器  23

1.6.3  消色差光学超表面  25

1.7  光学超表面的问题与展望  26

1.7.1  超表面中的损耗  26

1.7.2  光学超表面展望  26

参考文献  27

第2章  树枝结构红外和可见光超材料  38

2.1  双模板法制备树枝结构超材料  38

2.1.1  制备流程  38

2.1.2  周期性多孔氧化锌模板制备  39

2.1.3  红外银树枝结构超材料  42

2.1.4  红外银树枝结构性质  48

2.1.5  可见光银树枝结构性质  51

2.2  电沉积法制备铜树枝结构超材料  55

2.2.1  红外铜树枝负磁导率材料  55

2.2.2  红外铜树枝结构超材料  64

2.3  电沉积法制备银树枝超材料  69

2.3.1  点电极电沉积法  69

2.3.2  平板电极电沉积法  76

2.4  红外树枝结构超材料  90

2.4.1  制备流程  90

2.4.2  结果与讨论  93

2.5  可见光树枝结构超材料  99

2.5.1  实验制备  99

2.5.2  结果与讨论  101

2.6  空间光谱分离现象  103

2.6.1  绪言  103

2.6.2  超材料楔形光波导制备  103

2.6.3  楔形光波导结果与讨论  104

2.6.4  普通楔形光波导制备与测试  106

2.7  柔性基底树枝结构超材料  107

2.7.1  柔性基底树枝超材料制备  107

2.7.2  光学特性测试  110

参考文献  112

第3章  准周期渔网结构超材料  118

3.1  引言  118

3.2  理论和仿真分析  119

3.2.1  理论模型  119

3.2.2  仿真计算S参数  120

3.2.3  反演计算有效介质参数  121

3.2.4  非对称引起的损耗  123

3.2.5  掺杂增益介质降低损耗  124

3.3  金属银双渔网结构制备  125

3.3.1  制备流程  125

3.3.2  二维PS胶体晶体制备  126

3.3.3  金属银网格结构制备  132

3.3.4  双渔网结构制备与表征  138

3.4  双渔网结构光学性质  139

3.4.1  样品可见光透射谱  139

3.4.2  等效介质参数  140

3.4.3  透射增强现象  142

3.4.4  RhB物理机理  144

3.5  超材料吸收器  146

3.5.1  银网格吸收器  146

3.5.2  折射率传感器  148

3.5.3  双渔网结构多频吸收器模型  150

3.5.4  树枝超材料吸收器  152

参考文献  159

第4章  纳米颗粒组装超材料  163

4.1  引言  163

4.2  银树枝状颗粒单层组装超材料  163

4.2.1  制备流程  163

4.2.2  制备方法  164

4.2.3  超材料透射性质  170

4.2.4  超材料平板聚焦  171

4.3  银树枝颗粒多层组装三维超材料  174

4.3.1  制备工艺流程  174

4.3.2  制备方法与表征  174

4.3.3  可见光透射特性  180

4.3.4  平板聚焦效应  181

4.4  树枝状金纳米颗粒组装超材料  183

4.4.1  样品制备及形貌表征  183

4.4.2  光透射特性  184

4.4.3  平板聚焦  185

4.5  花朵形银纳米颗粒超材料  186

4.5.1  样品制备  186

4.5.2  透射性质  189

4.5.3  平板聚焦  190

4.6  树枝状PAMAM与银纳米颗粒复合物  191

4.6.1  PAMAM基银复合物超材料  191

4.6.2  PAMAM基纳米银薄膜微观结构  198

4.6.3  聚焦结果  201

4.6.4  PAMAM纳米银薄膜光自旋霍尔效应  202

4.7  其他形貌银颗粒  206

4.7.1  F127保护剂制备树枝状银微米粒子  206

4.7.2  片状银纳米粒子制备  206

4.7.3  多孔状银微米粒子  208

参考文献  209

第5章  拓扑结构超材料  211

5.1  引言  211

5.2  超簇结构设计及仿真结果  211

5.2.1  结构模型  211

5.2.2  红光波段光学响应  213

5.2.3  绿光波段光学响应  220

5.2.4  准周期超材料结构设计  221

5.3  球刺状超材料性质  223

5.3.1  样品的制备及表征  223

5.3.2  样品透射性质  230

5.4  球刺状超材料光学性能  233

5.4.1  负折射测试  233

5.4.2  位移  237

5.4.3  彩虹捕获效应  244

5.4.4  反常多普勒效应  249

参考文献  258

第6章  树枝结构超表面  263

6.1  引言  263

6.2  树枝超表面制备  264

6.2.1  制备流程  264

6.2.2  单层银树枝超表面  264

6.2.3  双层银树枝超表面  269

6.3  树枝超表面性质  271

6.3.1  红外波段超表面  271

6.3.2  可见光波段超表面  274

6.3.3  超表面聚焦效应测试  279

6.4  可见光波段超表面操控微分运算  283

6.4.1  设计原理  284

6.4.2  微分性质仿真计算  287

6.4.3  微分性质实验测试  288

参考文献  292

第7章  超表面反常光学行为  296

7.1  树枝超表面反常GH位移  296

7.1.1  GH位移与负GH位移  296

7.1.2  GH位移测量  297

7.2  树枝超表面彩虹捕获效应  301

7.2.1  彩虹捕获概念  301

7.2.2  超表面楔形波导实现彩虹捕获  302

7.2.3  楔形波导出射光功率  306

7.3  超表面偏振转换  308

7.3.1  树枝单元结构与模拟  308

7.3.2  超表面偏振转换实验  312

7.3.3  反射模式超表面偏振转换  316

7.4  准周期树枝簇集超表面反常光自旋霍尔效应  321

7.4.1  光自旋霍尔效应概论  321

7.4.2  准周期树枝簇集超表面设计与制备  324

7.4.3  超表面反常光自旋霍尔效应实验  329

参考文献  333

下篇  超原子和超分子构筑声学超材料与超表面

第8章  声学超材料与超表面概述  339

8.1  声学超材料  339

8.2  负参数声学超材料  340

8.2.1  负质量密度  340

8.2.2  负弹性模量  343

8.2.3  双负声学超材料  346

8.3  声学超材料的新物理特性  349

8.3.1  负折射及聚焦  349

8.3.2  倏逝波放大及亚波长成像  351

8.3.3  完美声吸收  354

8.3.4  反常多普勒效应  355

8.3.5  变换声学及隐身斗篷  356

8.3.6  声反常透射和声波准直器件  359

8.3.7  声学超材料其他应用  360

8.4  声学超表面  363

8.4.1  反常反射现象  363

8.4.2  反常透射现象  366

8.4.3  平板超棱镜  368

8.4.4  其他奇异效应  370

参考文献  371

第9章  声学超原子模型  380

9.1  引言  380

9.2  负弹性模量超原子  381

9.2.1  模型  381

9.2.2  一维负弹性模量声学超材料  383

9.2.3  二维负弹性模量声学超材料  392

9.3  负质量密度超原子  399

9.3.1  模型分析  399

9.3.2  负质量密度超材料  401

9.4  双负超原子复合超材料  406

参考文献  410

第10章  超分子声学超材料  414

10.1  引言  414

10.2  超分子模型  415

10.3  低频超分子双负声学超材料  416

10.3.1  实验测试  416

10.3.2  等效模量计算  418

10.3.3  平板聚焦效应  419

10.3.4  亚波长超分辨成像效应  422

10.4  高频超分子双负声学