光学和声学超材料与超表面

　　光学和声学超材料与超表面中波的行为，在信息传输，网络、光和声的调控等领域都有许多潜在应用，在国内外得到广泛研究。《光学和声学超材料与超表面》从光学和声学超材料与超表面的概念出发，依据局域共振原理，采用仿生设计模型系统介绍了作者课题组近二十年在光学和声学超材料与超表面材料及器件等方面的研究工作。总结和探讨了自下向上组装的光学超材料和超表面结构单元、树枝状结构与材料性能的内在联系及变化规律，为研制高性能光学超材料和超表面提供了新方法。基于声学超原子和超分子模型介绍了负质量密度、负弹性模量、双负声学超材料与超表面；超原子簇和超分子簇产生的多频与宽频声学超材料及超表面。另外，《光学和声学超材料与超表面》还从理论和实验介绍了窄带、多带与宽带超材料完全吸声器，水介质中超声超材料、拓扑声学超材料。

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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超材料　423　
10.4.1　样品制备　423　
10.4.2　实验测试及结果分析　425
10.4.3　等效参数　427　
10.4.4　负折射实验　429　
10.4.5　平板聚焦效应　430　
10.4.6　反常多普勒效应　431　
参考文献　434　
第11章　超原子簇与超分子簇声学超材料　437　
11.1　引言　437　
11.2　负弹性模量超原子簇超材料　437　
11.2.1　开口空心球超材料性质　437　
11.2.2　多频与宽频负弹性模量超材料　445　
11.2.3　多层结构的多频超材料　452　
11.2.4　对开口空心球宽频超材料　458　
11.3　负质量密度超原子簇超材料　464　
11.3.1　单频声学超材料　464　
11.3.2　宽频声学超材料　468　
11.3.3　反常多普勒效应　474　
11.4　超分子簇双负声学超材料　476　
11.4.1　基于不同管长的宽频超材料　476　
11.4.2　基于不同侧孔口径的宽频超材料　480　
11.4.3　两种调制方式组合的宽频效应　483　
11.5　超分子簇集宽频超材料　484　
11.5.1　理论模型　485　
11.5.2　透反射性质　487　
11.5.3　负折射实验验证　490　
11.5.4　反常多普勒效应　492　
参考文献　497　
第12章