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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LSPR316

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