超表面与超材料介绍 ppt课件
超材料的制造与应用
超材料的制造与应用随着科技的不断进步，人类对于掌握和利用材料的需求越来越迫切。
超材料作为新一代的材料技术，被广泛关注和研究。
它具有非常独特的结构和性质，能够在许多领域发挥重要的作用。
那么，究竟什么是超材料？超材料又是如何制造和应用的呢？超材料的概念超材料是一种由人工制造的具有特殊性质的材料，其主要特点是具有负折射率、不同于原材料的磁电响应等特性。
与传统的材料相比，它的特殊结构和组成使得其可以在光学、声学和电磁学等领域发挥独特的作用。
因此，在光学、纳米电子、微波技术和生物学等领域，都可以使用超材料来进行研究和应用。
超材料的制造超材料的制造较为复杂，主要涉及到两个方面：一方面是需要通过先进的制造技术来制造复杂的纳米结构，另一方面是需要通过选择合适的材料来实现特殊的性质。
因此，目前常用的制造方法主要有以下几种：1.光刻技术光刻技术是一种将光线投射到材料表面来形成二维或三维图形的技术。
在超材料的制造中，这种技术可以用来制造具有特殊形状的纳米结构。
比如，通过控制光刻机的曝光和显影过程，可以制造出各种形状的金属纳米结构，这些结构可以将光线向反方向传播。
2.纳米制造技术纳米制造技术是一种将材料制造到纳米尺度的技术。
在超材料制造中，这种技术可以用来制造一些非常微小的纳米结构。
通过这些结构，可以实现一些新型的光学特性，比如负折射率。
3.多材料复合技术多材料复合技术是一种将不同材料组合起来制造新型材料的技术。
在超材料制造中，这种技术可以被用来组合不同的材料，以实现特殊的磁电响应。
比如，在制造太赫兹层时，可以使用银和硅的复合材料，以实现太赫兹波的穿透和折射。
超材料的应用超材料由于具有特殊的结构和性质，因此在许多领域都可以发挥特殊的作用。
在光学领域，超材料可以用来制造超级透镜和超级薄板。
超级透镜可以将微小物体的图像放大数倍以上，超级薄板可以用来制造更加高效的太阳能电池。
在电磁学领域，超材料可以用来制造扩宽带隙材料和微波透镜。
超材料简介课件
日期:•超材料概述•超材料的发现与发展•超材料的制备方法•超材料的用途与性能目•超材料的应用领域•超材料的研究挑战与展望录超材料概述01它是一种具有特殊物理性能的新型材料，其性能可随其组成和结构的变化而改变。
超材料的设计和制造方法可以包括纳米技术、微电子技术、化学合成等。
超材料是一种人造的复合材料，其性能和功能远超过其基本成分。
超材料具有超常的物理性能，例如超导性、超透性、超强度等。
超材料的特性与其组成和结构密切相关，可以通过调整其组成和结构来优化其性能。
超材料的设计和制造需要精确控制其微观结构和性能，因此需要高精度的制造技术和先进的测试方法。
子超材料等。
根据其功能和应用领域，超材料可分为电磁超材料、光学超材料、机械超材料等。
超材料还可以根据其制造方法分为纳米超材料、微米超材料等。
超材料的发现与发展02天然材料人类最早使用的材料是天然材料，如木材、石头、金属等。
这些材料是由自然界中的元素和化合物组成。
人造材料随着科技的发展，人类开始制造出各种人造材料，如塑料、玻璃、陶瓷等。
这些材料是由人类通过化学反应和加工技术合成的。
超材料的起源超材料是一种新型的材料，它不同于传统的天然材料和人造材料。
超材料是由人类通过设计和制造，具有超常的物理性能和功能的一种材料。
超材料的设计和制造需要高水平的科技和工程能力。
超材料的起源超材料的定义01超材料是一种具有超常物理性能和功能的新型材料。
它由人类通过设计和制造，具有超常的物理性能和功能的一种材料。
超材料的设计和制造需要高水平的科技和工程能力。
超材料的分类02超材料可以根据其物理性能和功能的不同进行分类。
常见的超材料包括左手性材料、右手性材料、超导材料等。
这些不同类型的超材料具有不同的物理性能和功能。
超材料的制备方法03超材料的制备方法包括薄膜沉积、纳米加工、3D打印等技术。
这些技术可以制造出具有特定物理性能和功能的超材料。
超材料与新一代信息技术相结合，可以开发出更多具有创新应用场景的材料。
超材料的特性和应用。
超材料的特性和应用。
具体整理如下：1、超材料是什么？起初对于超材料的研究是负折射率超材料，1968 年前苏联科学家Veselago 首次提出同时具有负介电常数和负磁导率的材料概念，并预测利用这些材料可以实现负折射、逆多普勒等效应。
由于介电常数和磁导率同时为负时，电场E、磁场H 和波矢k 的关系不再符合右手螺旋定则，而是满足左手定则，因此这种材料又称为“左手材料”，但这些特征在自然材料中并不存在。
直到1996 年和1999 年，英国科学家Pendry 等人设计了周期排布的金属细线结构和开口谐振环（SRR）结构，并证明可以分别实现负等效介电常数和负磁导率，自此引入了超材料的概念。
“超材料”一词最初由Rodger M. Walser 教授提出，用来形容自然界不存在的、人工制造的、三维的、具有周期性结构的复合材料。
超材料是一种具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工材料，超材料通过围绕的微米/纳米级图案或结构设计，使它们以自然界中不存在的方式与光或其他形式的能量相互作用，典型的超材料有左手材料、光子晶体、超磁性材料、金属水等。
超材料通常与纳米技术相关联，因为在光学应用里重复的单元结构是以纳米为单位的。
创造超材料可能只有通过纳米技术才能实现。
未来随着纳米技术在未来几十年的进步，将会解锁更多新的超材料并降低其制造成本。
2、超材料的特性①超材料是人工设计与制造的材料而不是天然存在的材料；②超材料是一种复合型或混杂型材料,而不是单一的或纯净的材料；③超材料所呈现的物理性能是超常态的，非自然材料所有的，如负折射率、负磁导率、负介电常数、逆多普勒效应；④可以通过改变材料的基本单元结构、形状、方向、排列等物理特性，使超材料可对光波、电磁波和声波实施有效的操控；3、超材料的种类•电磁超材料•声学超材料•机械超材料•热学超材料4、超材料的应用场景•超透镜超透镜是一种二维平面透镜结构，是由超表面聚焦光的光学元件制成。
被誉为2019年十大新兴技术之一。
电磁隐身超材料幻灯片课件
(b)010101…/010101…, (c) 010101…/101010…,
Part 3
目前工作
Part Three
用于缩减RCS的极化转化超表面
极化转化超表面，主要通过对入射波反射相位的调控，一块超前90度，一块滞后90 度，实现180度的相位差，利用相位相消，实现波束分裂，从而形成漫反射，有效 降低单站RCS。
Part Two
2.3.3 地幔斗篷(Mantle cloaks）
地幔斗篷的概念由Andrea Alu在 2009 年首次提出。该方法使用超薄共形的新型人 工电磁表面覆盖隐身目标，通过调整表面单 元的形状和尺寸，合成有效的平均表面阻抗, 来调节新型人工电磁表面上的表面电流。斗 篷上产生反相的散射场与隐身目标的散射场 产生相消干涉，因此减少了整个系统的可见 性。
Part Two
2.3.2 人工磁导体复合材料(AMC)
人 工 磁 导 体 (AMC) 即 高 阻 抗 表 面 ， 由 特定形状的单元结构周期性排列而成。
2007年，Paquay等人首次提出将AMC 应用于减小目标RCS中。AMC的反射相位 为 0°, 而 理 想 电 导 体 (PEC) 的 反 射 相 位 为 180°，将这两种反射相位相差180°的单元 组合成棋盘结构，反射波能够相互干涉， 使来波能量衰减,同时将后向散射峰转移到 其他方向。能够显著减小后向雷达散射截 面，实现目标的隐身。
图1.2 左手材料单元
Part One
1.2 左手材料
当电磁波在介电常数和磁导率同时为负值的媒质中传播，电场 E 、 磁场 H 以及波矢量 k 符合左手定则。
电磁波在左手材料中传播时具有了与坡 印廷矢量 S 方向相反的波矢量 k ，因而会 引起一系列不同寻常的电磁特性，如: 负折射、逆 Snell 效应、逆 Doppler 效应、 反向切伦科夫辐射等。
声学超材料
1超材料1.1概述超材料(Metamaterials)指的是一种特种复合材料或结构，通过在材料关键物理尺寸上进行有序结构设计，使其获得常规材料所不具备的超常物理性质。
超材料由自然材料制成的“积木块”(尺寸为微毫米级)构成。
这些“积木块”称为人工原子(meta-atoms)，当不同的人工原子组合在一起时，会形成单个人工原子所没有的材料属性和功能特征。
一般情况下，常规自然材料的物理属性取决于构成材料的基本单元及其结构，例如原子、分子、电子、价键、晶格等。
这些基元与显微结构之间存在关联影响。
因此，在材料设计中需要考虑多种复杂的物性因素，而这些因素的相互影响也往往限定了材料性能固有极限。
为此，超材料设计从根本上摒弃了自然原子设计所囿，利用人工构筑的几何结构单元，在不违背物理学基本定律的前提下，以期获得与自然材料迥然不同的超常物理性质的新材料。
简言之，超材料是一大类型人工设计的周期性或非周期性的微结构功能材料，具有超越天然材料属性的超常物理性能。
超材料借助人工功能基元构筑的结构设计源起于(但不限于)对自然材料微结构的模仿，从而获得为人类所希冀的负折射、热隐身、负刚度、轻质超强等天然材料所不能呈现的光、热、声、力学等奇异性能。
从这个角度讲，超材料的结构设计理念具有方法论的意义，解除了天然材料属性对创造设计的束缚。
尽管这一理念早在上个世纪就已在电磁领域初具雏形，不过直至近十年来，方才开启研发电磁波的调控，以实现负折射、完美成像、完美隐身等新颖功能。
随着先进制造技术的进步，具有更多样化、更新奇力学特性的力学超材料物理模型也相继不断展现。
尤其是当超材料的个性化独特微结构设计与3D打印制造技术形成了完美的契合之时，两者之间相互整合协同创新，正开启全面推进材料创新设计和制造的新格局。
1.2超材料类型及研究现状材料的属性，不是仅仅由一种物性决定，也不是几种晶体学特性的总和，或是一系列的微尺度晶界工程特性来决定的，而是由材料晶体结构各个单元之间的本构关系，也就是不同晶格单元之间如何组合的结构拓扑关系所决定的，而这些外在表现出来的宏观物理学的行为属性，发挥着其应有的可利用价值。
超表面与超材料介绍ppt课件
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一、绪论 1、传统的光学元件 原理：光波的折射和反射（对入射光进行调制）。 实现：工作光波前的聚焦、成像、分色等光学功能。
通过光程的积累来实现相位的改变，因此，相位变化与光学元件的 厚度成正比。 2、第2代光学元件:衍射光学元件 原理：光波的衍射理论 通过：计算机辅助设计和超大规模集成电路技术，在片基上刻蚀出深浅 不一的特定浮雕结构
相位不连续引起的奇异电磁现象和通过操作庞大的人工电磁超材料获得 的奇异电磁现象之间存在着本质的差异：
后者一般是通过负介电常数、负磁导率材料或者在沿着或垂直表面 方向引入具有不同介电常数张量特征的各向异性的介电常数来实现，通 常情况下比较复杂并难以操作。
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四、应用 4.1均匀型电磁超表面——高阻抗表面结构 亚波长金属结构/介质层/金属底板组成的三明治结构
3.2几何光学理论 几何光学是研究电磁理论在波长趋近于零时情况的一门科学，是一
种波动光学的近似理论。 直线传播定律、独立传播定律、反射和折射定律
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3.3、费马原理
具体内容为：光在任意介质中从一点传播到另一点时，沿所需时间最短 的路径传播。又称最小时间原理或极短光程原理。
传播方向是沿着光程
取极值的方向。
对于光波：光程的变化体现在相位的变化中，传播光波的相位变化取极 值
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3.4、广义斯奈尔定理 超表面相位突变的引入，表现为两种介质交界面的相位不连续性。 假设两路径无限接近真实光路 ，则它们之间的相位差为0。
广义的斯奈尔定律：
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• 折射光线可以拥有任意的方向 • 如果交界面处的相位梯度设计为常数 垂直入射也可以有折射角，也可以用惠更斯原理解释
1
Байду номын сангаас
智能超表面(RIS)基础原理及模型介绍
智能超表面（RIS）基础原理及模型介绍1、基础原理介绍智能超表面（Reconfigurable Intelligent Surface, RIS）是一种二维实现的电磁超材料，可以以可编程的方式对空间电磁波进行主动的智能调控。
智能超表面采用少量有源器件甚至全无源器件的设计理念，并且可以通过采用超材料及可拼接部署方式，具备低成本、低功耗、低复杂度和易部署的优势。
智能超表面的硬件结构包括可重构超表面和智能控制单元。
可重构超表面通过改变人工微结构来调控电磁信号的折射或反射性能，实现对无线信号的调控。
智能控制单元负责控制可重构超表面的操作和参数设置。
RIS 是一种亚波长尺寸的人工二维材料，通常由金属、介质和可调元件构成，可以等效表征为RLC 电路。
调整电磁单元的物理性质，如容抗、阻抗或感抗，改变RIS 的辐射特性，实现非常规的物理现象诸如非规则反射、负折射、吸波、聚焦以及极化转换，进而对电磁波进行动态调控。
智能超表面的基础设计理论包括了传统的周期电磁理论、惠根斯等效原理及广义的反射和折射定理等。
控制电路设计可参考电路设计理论或现场可编程控制电路设计理论等。
一般而言，智能超表面的硬件架构由可重构超表面和智能控制单元组成。
可重构超表面通过改变其人工微结构，影响对电磁信号的折射或反射性能，实现对无线信号的调控。
智能控制单元负责控制可重构超表面的操作和参数设置。
广义斯涅尔定律（Generalized Snell's law）如下图所示，广义斯涅尔定律（提出极大丰富了电磁超表面的发展。
广义斯涅尔定律原理图从材料设计角度看，可以用离散的数字状态表征超材料的电磁特性，用数字化的方式实现电磁信息的调控。
崔铁军院士团队进一步提出的数字编码超材料和可编程超材料的概念，其概念不再仅仅考虑等效媒质参数，尽管是同样的离散数字状态，此时的含义则是反射或透射系数的相位或幅度。
数字编码超表面可以实现单比特或多比特的信息调控，例如单比特数字编码超表面的数字状态“0” 和“1” 分别代表0 和π的反射或透射相位响应，而多比特可以实现更灵活的电磁信息调控。
超表面 微纳光学-概述说明以及解释
超表面微纳光学-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述超表面微纳光学是一门研究超材料的分支学科，它涉及到微纳米级的光学现象和超材料的设计与制备。
超表面是一种具有特殊结构的表面，能够控制光的传播和操控光的波前。
通过精确设计和制备超表面，可以实现对光波的高度定向控制和增强，有效地改变光与物质的相互作用。
超表面微纳光学通过运用纳米级结构，利用超表面的特殊功能，实现对光波的控制，具有独特的优势和潜在应用。
它在光学通信、光电子学、传感技术、成像技术等领域有着广泛的应用前景。
本文将首先介绍超表面的定义和原理，讨论超表面对光的传播和调控的基本原理。
进一步，我们将重点探讨超表面在微纳光学领域中的应用，包括在超透镜、光学波导、光学传感器等方面的应用。
此外，我们还将介绍超表面的制备方法和技术，包括纳米加工、自组装、光刻等，这些技术为超表面的制备提供了有效的手段。
最后，我们将对超表面微纳光学的意义和影响进行总结和展望未来的发展方向。
超表面微纳光学作为一门新兴的领域，将对光学器件和系统的设计与制备带来重要的突破和进展。
它的应用潜力巨大，有望在光子学领域产生深远的影响。
本文旨在为读者介绍超表面微纳光学的基本知识和最新研究进展，希望能够激发读者对这一领域的兴趣，并促进相关研究的发展和应用的推广。
1.2文章结构文章结构部分内容如下：1.2 文章结构本文将按照以下结构来进行讨论超表面微纳光学的相关内容：第一部分是引言部分，首先进行概述，介绍超表面微纳光学的背景和基本概念，以便读者对该领域有一个整体的了解。
接下来，我们将介绍本文的结构和各个章节的主要内容，方便读者理解文章的逻辑结构。
第二部分是正文部分，主要包括超表面的定义和原理、超表面在微纳光学中的应用以及超表面的制备方法和技术。
在超表面的定义和原理中，我们将详细介绍超表面的基本概念、工作原理和特点，以及超表面与传统光学元件的区别。
在超表面在微纳光学中的应用部分，我们将列举和介绍超表面在光学成像、光学通信、光学传感等领域的具体应用案例，并探讨超表面在这些领域中的优势和局限性。
超材料(metamaterials)
在一个各向同性的物质中可写成：
k2 2 n2
c2
如果我们不考虑损耗，认为和 都是实数，则如果和 同时反号则对于这种关系没有影响。
“逆行波”
电磁波传播的能量是由坡印亭矢量表示
S c EH
4
在一般的材料中，S与波矢k具有共同的方向，即电磁波 的能量传输方向与相位传输方向相同
Infiltrating PLZT precursor into the voids of the colloid crystal and drying
PLZT precursor gel infilled polystyrene microspheres
Sintering
Ceramic PLZT inversed OPAL
“超材料”设计路线
基本原理
研究方法
设计空间
已有材料
半导体超晶格 光子晶体 “左手材料” 超磁性材料 声子晶体与声学超结构 有序天线基板 。。。。。
实例：“超磁性”材料
光子晶体
什么是光子晶体？
几个基本概念
光子能带：电磁波在由不同介电材料组成的周期
性的结构中传播时，同半导体中的电子一样，也会形 成能带结构--光子能带。 光子能隙：光子能带之间可能没有重叠，这样，也会 形成同半导体一样的能隙--光子能隙。频率落在光子 能隙中的电磁波是禁止传播的。 光子晶体：具有光子能隙的介电材料构成的周期结构
基本设计思想
通过各种层次的有序结构实现对各种物理量的调制，从而 获得自然界中在该层次上无序或无结构的材料所不具备的 物理性质。
自然界中物质的有序主要存在于原子层次－－原子的有序 排列形成晶体，进而产生一些无定型态所不具备的物理特 征。
依此类比，在其它层次上的有序排列则可能获得一定程度 的自然界中的材料所不具备的物理性质。
太赫兹天线（二）
DCWTechnology Lecture技术讲座1数字通信世界2024.04上一讲所介绍的传统型天线，仍不能完全满足未来6G 等对利用太赫兹通信电路的要求，例如，平面电路广泛采用的微带贴片天线，天线效率较低，每个单元增益仅一至数分贝，甚至为负值，相对带宽（通频带上下限频率差与中心频率之比）仅百分之一左右，天线效率也欠佳，此外，在天线的可重构（工作频率、多波束、波束扫描等）方面也难以提供更多、更大的灵活性。
光电导天线是利用光致电导效应，用一束光脉冲或两束不同频率的连续波激光作用于光电器件，将光转换为太赫兹频率的电磁波，既可作为太赫兹源，又可作为辐射太赫兹波的天线，并因其具有高强度、高辐射效率和宽带响应性能而成为太赫兹技术生要的组成部分。
此外，利用太赫兹工作波长极短的特点，以及相应出现的亚波长技术，即电路尺寸远小于太赫兹波长的技术，可进一步制作出芯片上天线，更好地实现与其他射频电路集成。
但芯片天线也面临若干技术的挑战。
石墨烯等新材料的出现和超材料、超平面和衬底集成波导的理论与技术的成果，为太赫兹天线集成芯片化开辟了新的有效的途径。
1 光电导天线（PhotoconductiveAntenna，PCA）[1]-[7]1.1 基本原理与构成太赫兹波光电导天线（PCA ）原理如图1所示。
通常是在由III-V 族化合物加工而得到的半绝缘高电阻Si-GaAs 做的衬底上，外延生长出一层GaAs 半导体薄膜。
在此薄膜上沉积出金属电极，并加上偏置电压；二电极间接一偶极子，将波长为800 nm 或1 100~1 550 nm的激光用飞秒（1 ps 或更高）脉冲调制后，照射偶极子间隙处的半导体薄膜，激光光子被半导体薄膜材料吸收，当光子能量大于半导体导带与价带之间的能带带隙时，便将载流子（电子）从价带激发到导带，而价带出现空穴，形成空穴-电子对，成为自由载流子，然后它们被偏置产生的电场加速，载流子电荷的运动便是电流，称为光生电流，简称光电流。
第17讲_超材料
−人造结构或媒质
负折射
−有自然界找不到的不寻常性质
−反常性质是由结构而不是材料成分引起的 −d << λ 可以被看做有效（均匀）媒质
重要!
Natural material Metamaterial n >0 n <0 4
n1 > 0
n2 < 0
2 1 1 2
k S
19
k S
reversal: 逆转
19
9
2014/3/24
光线追踪模拟
(a)空杯
20
(b)装满水(n = 1.3)
(c)装有负折射率水(n = −1.3)
ray-tracing: 光线追迹
多普勒效应的逆转
正折射率介质中的多普勒效应 负折射率介质中的多普勒效应
Veselago, Sov. Phys.10, 509 (1968)
1exp(i)
n exp(i)exp(i) exp(i) 1
负折射率(NRI)!
• 但是“双负” 不是获得负折射率的必要条件! • 对n < 0, 满足 | | | |0 就够了。
Shelby et al., Science 292, 77 (2001) Smith et al., Science 305, 788 (2004) 33
16
2014/3/24
G: gap
L :length
THz 范围的磁单负超材料SNG
Cu Au/Ti quartz
S: space
W: width
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后者一般是通过负介电常数、负磁导率材料或者在沿着或垂直表面 方向引入具有不同介电常数张量特征的各向异性的介电常数来实现，通 常情况下比较复杂并难以操作。
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四、应用 4.1均匀型电磁超表面——高阻抗表面结构 亚波长金属结构/介质层/金属底板组成的三明治结构
一种基于广义斯涅尔定律，通过控制波前相位、振幅以及偏振进行 电磁/光学波束调控的新结构。
是一种超薄二维阵列平面，由超材料结构单元组成，它可以灵活有 效的操纵电磁波的相位、极化方式、传播模式等特性。
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2011 年，Capasso 课题组首先提出超表面来拓展斯涅耳定律，并设计 结构的V型天线阵列的超表面结构提供梯度的相位突变渐变
dakunlaicourseforgraduatestudentuestc四应用41均匀型电磁超表面高阻抗表面结构亚波长金属结构介质层金属底板组成的三明治结构dakunlaicourseforgraduatestudentuestc?在共振频率附近高阻抗表面对电磁波的阻抗非常高因此会将电磁波完全反射?高阻抗表面在不同频率下具有反射相位均匀型电磁超表面偏振调控超表面dakunlaicourseforgraduatestudentuestc42梯度超表面实现高效表面波耦合1首次提出利用梯度超表面实现高效表面波耦合的全新概念分析发现
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相邻天线之间相差π/4相位
三、新型电磁器件设计的基本理论 3.1变换光学理论 光学变换：就是一个广义的坐标变换或者称为空间变换。变换前的空间 称之为虚拟空间，一般假设为真空，而变换后的空间叫做物理空间，通 常就是我们设计的器件放置的空间。只要选择合适的变换函数，就可以 将虚拟空间中的部分区域变换为物理空间中对应的区域。
太赫兹梯度超表面综述
0引言超材料,一种新型的三维周期性人工电磁材料,通常由金属/介质或全介质构成,在微波、太赫兹波段,由于其比拟波长的单元结构与电磁波的电场或磁场的共振效应,这种操控电磁波的特殊能力在过去十年中得到了广泛的研究,如完美吸收器[1-3]、隐身[4-6]、散射减少[7]等。
然而,在微纳米尺度下,超材料的应用由于高损耗和三维制造的困难受到阻碍和限制。
超表面是具有亚波长厚度的二维平面超材料,与三维超材料相比,超表面具有物理尺寸更小、易制造、损耗更低等优势,因此,在很多应用领域下,超表面可以代替更大体积的三维超材料结构。
近些年,超表面巨大的应用潜力受到全世界研究人员的关注,包括偏振转换器[8-9]、平面透镜[10]、涡旋相位板[11]、数字编码超表面[12]和全息成像[13]等。
电磁波波前的可调性在于其相位的调控,根据费马原理,电磁波的跃迁是相位沿传播路径的积累效应。
因此,用于控制波前的传统光学元件需要空间变化的折射率或其整体几何形状的改变来实现相位积累。
然而,由于自然材料的介电常数有限性,通常采用弯曲表面来实现(由于其体积大、重量大、设计过程复杂),这已经成为太赫兹梯度超表面综述寇伟1,陈婷1,杨梓强1,梁士雄2(1.电子科技大学电子科学与工程学院,四川成都610054;2.中国电子科技集团公司第十三研究所专用集成电路重点实验室,河北石家庄050051)摘要:超表面,一种新颖的人工电磁材料,由于厚度可忽略不计,也称二维超材料。
由于电磁波的电场或磁场与超表面亚波长单元结构的共振效应使其相位或幅度发生突变,从而经过超表面后出射波矢量场的叠加实现了对电磁波传播特性的调控。
与三维超材料相比,超表面拥有损耗低、厚度薄、易于集成等优点,其巨大的应用潜力受到全世界研究人员的关注。
太赫兹超表面器件在平面超透镜、涡旋光束、数字编码超表面、全息成像等显示了巨大的潜力和优势。
从基本定律出发,总结了几种重要的超表面器件的调控原理和应用领域,并对未来超表面器件的实用价值和前进方向进行展望。
力学超材料定义
力学超材料定义
超材料是一种特殊的材料，具有超出常见物理材料的物理性能。
在过去的几十年中，随着材料科学和精密制造技术的发展，超材料的定义也在不断更新和完善。
本文将详细介绍超材料的发展历程和定义。
超材料的起源可以追溯到20世纪80年代，当时科学家正在探索一种可以检测散射物质，并把散射光路向有序方向发射，从而产生不寻常性能的材料。
这种材料称为超材料。
随着有关超材料研究的发展，其定义也发生了变化。
现在，超材料被定义为一种具有超出常见物理材料的特殊材料，能够实现新的物理现象，例如可控的信号传播、能量传导、集成的表面超电，或者是经典次低频振荡的方向性放射等。
相较于常见的物理材料，超材料的物理性质往往与普通材料不同。
超材料能够实现无线电波的完全反射或透射，能够控制雷达散射方向、拒绝频率范围内的电磁波等。
超材料可以作为电磁干扰屏蔽、医疗仪器设计和金属表面处理等多种应用。
除了上述特性以外，超材料还能够改变光线表面波的传播方向。
这种材料能够使光线以一种非常敏感的方式变化，进而影响其表面波。
此外，超材料也可以用来激发/抑制特定的光子状态，或利用其能量布局来增强光的穿透力。
总之，超材料是一种特殊的材料，具有超出常见物理材料的特殊性能。
它能够实现奇特的物理现象，拓展物理界面，有助于物理材料在技术应用上的发展。
超材料 PPT
其电磁特性一般用等效介电常数ε和等效磁导率μ来描 述，可以通过调节金属单元的形状或尺寸来实现超材料各 种独特的电磁特性。
5-10%的能效。科学家们已经在研究能效更高的热电材料，名为方钴矿。
热电材料目前已经开始了小规模的应用——比如在太空飞船上——
但方钴矿具备廉价和能效高的特点，可以用来包裹汽车、冰箱或任何机
器的排气管。
钙钛矿
常见超材料
3
除晶体硅外，钙钛矿也可用来制作太阳能电池的替代材料。在2009年，
使用钙钛矿制作的太阳能电池具备着3.8%的太阳能转化率。到了2014年，
超材料的相关介绍
材料学院
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概述
研究现状 结构原理
分类
应用前景
01 概 述
概述
"超材料"(Metamaterial)是21世纪以来出现的一类新材料， 指的是一些具有人工设计的结构并呈现出天然材料所不具备的超 常物理性质的复合材料。可以通过调整器件单元结构实现预期的 电磁特性，可广泛应用于负折射、电磁隐身、电磁诱导透明等领 域。这样的效果是传统材料无法实现的。
研究现状
隐身衣是超材料最引人瞩目的研究成果之一，基于变换光学原理，
采用等效媒质超材料获得折射率参数的特定分布，进而实现电磁波 传播路径的任意设计和隐身效果。然而，窄带和高损耗限制了隐身 衣的实际应用。
国际 发展
相比于不少国家相对分散的发展模式，中国在超材料领域的发展模式则更 加聚焦和有力。在电磁黑洞、超材料隐身技术介质基超材料以及声波负折 射等基础研究方面，我国企业取得了多项原创性成果，并在世界超材料产 业化竞争中占到先机。
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4.2、梯度超表面实现高效表面波耦合
2、要实现线性反射相位分布
可以选择[εM(x) = const ，μM(x) ]或 [εM(x)，μM(x) = const ]的梯度超表面， 结 构 单 元 由“H”型金属/介质层/金属平板 组 成
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二、超表面
1、新型人工电磁材料 将具有特定几何形状的亚波长宏观基本单元周期性或非周期性地排
列所构成的人工材料。
就是用有序的人造单元“粒子”代替自然界材料的分子或原子等基 本粒子，所组成一种等效材料
2、超表面 一种基于广义斯涅尔定律，通过控制波前相位、振幅以及偏振进行
电磁/光学波束调控的新结构。 是一种超薄二维阵列平面，由超材料结构单元组成，它可以灵活有
超材料与超表面
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一、绪论 1、传统的光学元件 原理：光波的折射和反射（对入射光进行调制）。 实现：工作光波前的聚焦、成像、分色等光学功能。
通过光程的积累来实现相位的改变，因此，相位变化与光学元件的 厚度成正比。 2、第2代光学元件:衍射光学元件 原理：光波的衍射理论
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•在共振频率附近高阻抗表面对电磁波的阻抗非常高，因此会将电磁波 完全反射 •高阻抗表面在不同频率下具有反射相位
均匀型电磁超表面——偏振调控超表面
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4.2、梯度超表面实现高效表面波耦合 1、首次提出利用梯度超表面实现高效表面波耦合的全新概念 分析发现：满足 M(x)M(x)12k0xd ，系统的反射相位满足线性分布。
•当 ξ<k0时，垂直入射的电磁波会 被超表面斜反射，梯度超表面实现的 奇异反射现象 •ξ>k0时，入射的传播波被完美地 转化为表面波
通过：计算机辅助设计和超大规模集成电路技术，在片基上刻蚀出深浅 不一的特定浮雕结构
实质上还是光程的积累，其变薄的秘诀在于摒弃了光学元件中冗余 的2π相位。 3、第3代光学元件：平板光学元件 实现：涡旋光束、宽带光弯曲、双偏振金属透镜以及平板轴锥镜实验
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传播方向是沿着光程
取极值的方向。
对于光波：光程的变化体现在相位的变化中，传播光波的相位变化取极 值
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3.4、广义斯奈尔定理 超表面相位突变的引入，表现为两种介质交界面的相位不连续性。
假设两路径无限接近真实光路 ，则它们之间的相位差为0。
效的操纵电磁波的相位、极化方式、传播模式等特性。
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2011 年，Capasso 课题组首先提出超表面来拓展斯涅耳定律，并设计结 构的V型天线阵列的超表面结构提供梯度的相位突变渐变
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相邻天线之间相差π/4相位
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三、新型电磁器件设计的基本理论 3.1变换光学理论 光学变换：就是一个广义的坐标变换或者称为空间变换。变换前的空间 称之为虚拟空间，一般假设为真空，而变换后的空间叫做物理空间，通 常就是我们设计的器件放置的空间。只要选择合适的变换函数，就可以 将虚拟空间中的部分区域变换为物理空间中对应的区域。
改变金属的臂长来控制超表面局域位置对电磁波的反射相位响应
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后者一般是通过负介电常数、负磁导率材料或者在沿着或垂直表面 方向引入具有不同介电常数张量特征的各向异性的介电常数来实现，通 常情况下比较复杂并难以操作。
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四、应用 4.1均匀型电磁超表面——高阻光学理论 几何光学是研究电磁理论在波长趋近于零时情况的一门科学，是一
种波动光学的近似理论。 直线传播定律、独立传播定律、反射和折射定律
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3.3、费马原理
具体内容为：光在任意介质中从一点传播到另一点时，沿所需时间最短 的路径传播。又称最小时间原理或极短光程原理。
广义的斯奈尔定律：
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•折射光线可以拥有任意的方向 •如果交界面处的相位梯度设计为常数 垂直入射也可以有折射角，也可以用惠更斯原理解释
相位不连续引起的奇异电磁现象和通过操作庞大的人工电磁超材料获得 的奇异电磁现象之间存在着本质的差异：