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层结构人工电磁介质次波长成像的研究

李璇  
【摘要】: 仅单层贵重金属层就可以将宽频倏逝波(例如从点源产生的)放大从而使像具有次波长的分辨率。因此我可以利用一个更加实用的多层结构(超级透镜)来在近场获得更加好的次波长像。在过去的几年中,次波长成像由于它的很多重要的潜在应用已经成为一个新的被广泛研究的领域。在本论文中,除了研究了层结构近场的次波长成像,还对远场的次波长放大成像进行了研究。 在第二章中,一个简单的设计,将特定厚度的介质膜和银膜被放在掩模板和一层光刻胶之间,被利用来提高传统光刻的分辨率,同时也进行了对比试验。这些实验有效验证了银膜成像的能力。 第三章中,Fabry-Perot共振效应在这里被应用于将光频段的次波长的图像传输到距离源较远的距离(例如,几个波长)。由交替的金属和介质层组成的两种不同特性的结构(具有匹配和不匹配的阻抗)首先在无损情况下和较短的传输距离(一个波长)时被进行了比较研究。发现由于Fabry-Perot共振的关系,阻抗匹配并非是次波长成像的必要条件。通过对周期厚度的合理选择可以将Fabry-Perot共振放大控制在某个倏逝波区域,因此Fabry-Perot共振峰附近的倏逝波都得到了合适的放大。利用这种机制,可以设计一个层结构,从而具有好的分辨率,大小在可接受范围内的旁瓣,以及较大的周期厚度的变化区间(当周期厚度在此变化区间内选择时,都可以获得次波长的像以及可接受的旁瓣)。另外还研究了随着材料损耗的增加,对系统次波长成像能力的影响。 第四章中,合适的表面结构设置可以被用来较大幅度的提高由正负介电常数组成的层结构的次波长成像的分辨率,这不仅适用于光波段也包括红外波段。基于这一机制,发现改进后的层结构在选取真实损耗作为参数值时依然表现出了良好分辨率的特性,同时它对总厚度、周期数以及表面层厚度的变化并不十分敏感。同时基于改进后的结构,还通过优化等效节电常数的值来使系统获得更好分辨率。 在第五章中,两种特殊的材料被利用在层结构次波长成像中,以使结构具有可调特性。首先利用复合材料代替纯的负介电常数材料,通过改变复合材料的填充因子,和选用合适的正介电常数介质,可以使操作波长处在光波段的任意位置,而且使用具有合适表面层设置的复合介质结构也可以获得很好的分辨率。另外利用阶梯型三能级系统来实现微波段的负磁导率。这一机制的最显著特性就是可以实现原子水平的各向同性的负磁导率。它可以作为负磁导率材料(或者利用特殊的原子系统和选择合适的参数选择来实现负介电常数材料)来构造层周期结构,从而实现次波长成像功能,同时其负磁导率(或者负介电常数)值可以通过外部耦合光场等参数来控制。 第六章中,对远场放大透镜进行了研究。发现具有有限但很长色散曲线的结构也可以被用来进行突破衍射极限的远场成像。通过合适的参数选择可以帮助放大透镜得到很好的成像特性。


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