基于人工表面等离激元的宽带轻质无反射背板吸波材料研究

Designer surface plasmons (DSPs) are localized surface electromagnetic wave modes that propagate along the surfaces and attenuate exponentially in the other directions. Because of the inherent sub-wavelength confinement and localized enhanced fields, DSPs have attracted great attentions in a large number of areas. The project focuses on the theoretic analysis, design and fabrication of wideband lightweight absorbers based on the DSP metamaterials. In contrast to the conventional absorbers, the proposed ones are not backed by a metallic plate. By analyzing the influence of the DSP propagation length, attenuation properties and cut-off frequencies, the working mechanism of the reflective-backing-free absorbers will be firstly investigated. Meanwhile, the electromagnetic response of the DSP metamaterials will be analyzed and discussed by employing the Bloch theory, effective medium theory as well as electromagnetic simulations. The relationships between the exciting efficiency of the DSPs and the factors of the unit cell geometry, dimensionality and loss properties of the metamaterials will be determined, and then the design principle and approach of the reflective-backing-free absorbers will be established. Finally, some designed absorbers will be fabricated and the absorption properties will be evaluated by measuring the reflection and transmission spectra in an electromagnetic chamber. Since the proposed reflection-backing-free absorbers have unique advantages, such as the capability of being integrated with the electromagnetic wave transparent, they may find potential applications in stealth fields.

人工表面等离激元是一种特定结构激发的表面束缚非辐射电磁波模式，具有空间尺度小、场局域增强等特点，在诸多领域具有重要应用价值，是当前国际学术研究的热点和前沿。本申请重点研究基于超材料耦合电磁波诱导的人工表面等离激元实现宽带、轻质、无反射背板吸波材料的基本原理与设计方法。通过理论分析人工表面等离激元传播长度、衰减特性及截止频率等基本特性与吸波性能之间的物理关联，阐明无反射背板吸波材料的工作机制；基于Bloch理论、等效媒质理论和电磁仿真手段分析超材料高效激发人工表面等离激元的基本原理，讨论超材料结构单元、维度以及损耗等因素对人工表面等离激元基本特性的影响规律，并据此建立宽带、轻质、无反射背板吸波材料的设计原理与方法；制备无反射背板吸波材料，进行性能测试，完成原理验证。由于无反射背板吸波材料用于隐身技术具有独特的优势，如可任意开设电磁波透明窗口等，本申请研究成果预计在隐身领域具有广泛的应用前景。

超材料是由亚波长人工结构单元构成的复合结构，在材料宏观性能调控方面提供了一个新的设计自由度，从而极大的提升了材料的设计空间，使得本来难以实现的一些性能成为可能。正是由于具有对电磁波的灵活调控特性，超材料在隐身技术具有十分重要的应用前景。本文正是在此背景下开展了相关的研究，开展了基于人工表面等离激元的电磁波吸收、反射、透射调控等内容，在新型隐身技术中具有广阔的应用前景。系统研究了基于金属锯齿结构阵列高效激发人工表面等离激元，并提出了自由空间电磁波与人工表面等离激元之间场匹配的耦合机制。人工表面等离激元的色散关系可以简单的通过改变锯齿高度实现调控，包括截止频率、变化率等，并因此提出了空间色散的概念。通过设计人工表面等离激元的空间色散，利用局域场增强特性可以人为定制吸波频率和带宽，甚至可以实现多个宽频带吸波设计，这些设计均得到了实验的验证。利用人工表面等离激元的深亚波长特性，与一维金属光栅复合设计，实现了光栅的超常透射，透射带宽和频率灵活可控，使一维光栅结构同时具备极化和频率选择特性。将锯齿结构阵列和传统频率选择表面复合设计，形成三明治夹层结构，设计带阻型和双通带型频率选择表面，并进行了实验测试验证，结果表明具有带阻/通效率高、过渡带窄等特点。通过设计人工表明等离激元的色散特性，实现了电磁波的高效透射与透射相位的调制，并基于此设计1-bit和2-bit的各向异性透射编码超表面，可以对不同极化入射电磁波的波前进行独立调制，具有透射效率高（大于90%）、频带宽、设计简单等特点，并进行了实验验证。另外，在此基础上，还开展了低频吸波/高频透波、低频透射/高频散射超表面，以及水基宽带热可调吸波超材料等研究工作。