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。本书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，本书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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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 管乐器的反常多普勒效应 500
12.1 引言 500
12.2 竖笛反常多普勒效应与负折射特性 501
12.2.1 多普勒效应理论 501
12.2.2 竖笛实验装置及测试 501
12.2.3 结果与讨论 502
12.3 横笛反常多普勒效应与负折射特性 507
12.3.1 实验装置及测试 507
12.3.2 结果与讨论 507
12.4 单簧管反常多普勒效应与负折射特性 510
12.5 其他管乐器的行为 512
参考文献 513
第13章 水介质中超声超材料 516
13.1 引言 516
13.2 负质量密度水声超材料 518
13.2.1 模型分析与证明 518
13.2.2 样品制备与测试 520
13.2.3 结果与讨论 523
13.3 双负水声超材料 528
13.3.1 模型设计与理论分析 528
13.3.2 样品制备与实验装置 530
13.3.3 结果与讨论 531
参考文献 536
第14章 声学超表面 538
14.1 引言 538
14.2 基于超原子结构的声学超表面 539
14.2.1 声学超表面基本理论 539
14.2.2 开口空心球声学超表面 540
14.2.3 双开口空心球声学超表面 544
14.2.4 对开口空心球声学超表面 553
14.3 超分子结构声学超表面 558
14.3.1 开口空心管声学超表面 558
14.3.2 超分子结构宽频声学超表面 563
参考文献 567
第15章 拓扑声学超材料 569
15.1 引言 569
15.2 超原子声学拓扑超材料 570
15.2.1 空心管声学拓扑绝缘体 570
15.2.2 空心管声学谷拓扑绝缘体 580
15.2.3 开口环(球)声学谷拓扑绝缘体 585
15.3 超分子声学拓扑超材料 592
15.3.1 可重构拓扑相变声学超材料 592
15.3.2 超分子谷拓扑绝缘体 604
15.4 多频声学谷霍尔拓扑绝缘体 607
15.4.1 拓扑晶格设计 607
15.4.2 能带分析和拓扑相变 608
15.4.3 单一结构调节研究 609
15.4.4 能带色散可调和拓扑边缘态传输 610
15.4.5 实验验证 613
参考文献 615
附录 619
京公网安备 11010102004214号