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上册3

第一篇 亚波长电磁学基础3

第1章 亚波长电磁学概述3

1.1 亚波长电磁学的基本概念3

1.1.1 亚波长尺度3

1.1.2 衍射和散射4

1.1.3 衍射极限4

1.1.4 亚波长电磁学的数理基础4

1.1.5 亚波长电磁学的研究范畴5

1.1.6 表面等离子体5

1.1.7 超材料6

1.1.8 超表面7

1.1.9 光子晶体和电磁带隙7

1.1.10 亚波长仿生电磁学7

1.2 亚波长电磁学的主要研究领域8

1.2.1 表面等离子体——亚波长结构中自由电子的集体振荡8

1.2.2 超材料——三维亚波长结构材料17

1.2.3 超表面——二维亚波长结构材料26

1.2.4 光子晶体——光子半导体32

1.3 亚波长电磁学的发展趋势35

1.3.1 经典定律和极限的推广35

1.3.2 从电磁学到多学科交叉37

1.3.3 新的材料体系44

参考文献49

第2章 亚波长电磁学的基本材料63

2.1 金属材料63

2.1.1 金属材料介电常数模型63

2.1.2 不同频段金属电磁特性总结70

2.1.3 常见金属材料的光学常数71

2.2 介质材料73

2.2.1 电介质74

2.2.2 光学介质76

2.2.3 微波介质81

2.3 半导体材料82

2.3.1 半导体材料的主要性质82

2.3.2 半导体材料的分类84

2.3.3 钙钛矿类晶体材料85

2.4 可变材料87

2.4.1 阻变材料88

2.4.2 色变材料89

2.4.3 相变材料90

2.4.4 柔性可延展材料94

2.4.5 液晶96

2.5 二维材料100

2.5.1 石墨烯材料101

2.5.2 二硫化钼103

2.5.3 六方氮化硼104

2.5.4 二维材料的制备方法107

2.6 瞬态材料108

2.6.1 瞬态材料的概念108

2.6.2 功能转换型瞬态材料109

2.6.3 功能失效型瞬态材料111

2.6.4 结构损毁型瞬态材料112

参考文献115

第3章 亚波长电磁学的主要数值计算方法117

3.1 有限差分时域算法117

3.1.1 FDTD的基本原理117

3.1.2 数值稳定性条件119

3.1.3 数值色散问题119

3.1.4 边界条件的设置120

3.2 有限元法121

3.3 有限积分法124

3.4 传输矩阵法126

3.5 格林函数法128

3.5.1 并矢128

3.5.2 并矢格林函数128

3.5.3 利用并矢格林函数求空间的场129

3.6 多重多极子程序法130

3.6.1 MMP基本原理130

3.6.2 边界条件132

3.6.3 MMP中点匹配技术132

3.7 严格耦合波分析方法133

3.8 基于各种数值仿真方法的现代电磁商业软件136

3.8.1 HFSS136

3.8.2 CST Microwave Studio137

3.8.3 FDTD Solutions137

3.8.4 COMSOL Multiphysics137

参考文献138

第二篇 亚波长电磁学理论141

第4章 超材料理论141

4.1 负折射率理论141

4.1.1 负折射率理论推导141

4.1.2 负折射材料特性143

4.2 等效介质理论146

4.3 负折射材料的设计148

4.3.1 等效介电常数的调制148

4.3.2 等效磁导率的调制154

4.3.3 散射参数反演法实例157

4.4 负折射材料161

4.4.1 微波波段的负折射材料161

4.4.2 太赫兹波段的负折射材料166

4.4.3 光波段的负折射材料167

4.5 关于负折射率的争论171

4.6 左手传输线172

4.6.1 左手传输线理论172

4.6.2 复合左右手传输线174

4.6.3 左手传输线的应用177

4.7 零折射材料179

4.7.1 电磁场在DNZ材料中的传播特性180

4.7.2 零折射率材料中的能量隧穿效应183

4.8 超高折射率材料191

参考文献194

第5章 超构表面理论197

5.1 超构表面结构和电磁表面波概念197

5.1.1 超构表面结构197

5.1.2 电磁表面波198

5.2 超表面的基本属性198

5.2.1 典型超表面的阻抗特性198

5.2.2 单一界面的传播特性分析200

5.2.3 多层界面上表面波的传播特性201

5.2.4 电磁表面波的传输特性205

5.2.5 表面波的超短波长特性206

5.2.6 超表面结构中表面波的宽带色散特性207

5.2.7 超表面结构的相位调制能力208

5.3 突破传统限制的超表面理论220

5.3.1 超表面辅助的衍射理论220

5.3.2 超表面辅助的折射和反射定律222

5.3.3 超表面辅助的偏振转换定律224

5.3.4 超表面辅助的电磁吸收理论226

参考文献229

第6章 表面等离子体理论233

6.1 金属与电磁波的相互作用233

6.1.1 Drude模型233

6.1.2 金属中的带间跃迁233

6.2 表面等离子体235

6.2.1 表面等离子体的色散关系235

6.2.2 光激发表面等离子体的几种方式236

6.2.3 准表面等离子体239

6.3 局域表面等离子体244

6.3.1 金属小球的LSPR245

6.3.2 准LSP246

6.4 表面等离子体的模式耦合理论248

6.4.1 表面等离子体超衍射波导248

6.4.2 金属介—质多层膜系中的表面等离子体252

6.4.3 基于表面等离子体耦合的定向辐射255

6.5 等离子体模式的几种重要特征和应用259

6.5.1 表面等离子体的四个特征长度259

6.5.2 短波长效应261

6.5.3 表面增强拉曼散射264

6.5.4 光电转换增强266

6.5.5 自发辐射增强267

参考文献268

第7章 双曲色散材料272

7.1 双曲色散材料基本理论272

7.1.1 笛卡儿坐标系下的色散方程272

7.1.2 柱坐标系下的色散方程275

7.1.3 光束传播的半经典理论276

7.2 双曲色散材料的实现方式278

7.2.1 基于金属—介质多层膜的双曲色散材料278

7.2.2 基于纳米线阵列的双曲色散材料283

7.2.3 双曲色散材料的选择284

7.3 双曲色散材料中SPP的定向传输特性285

7.3.1 金属—介质多层膜定向传输特性的定性分析285

7.3.2 金属—介质多层膜定向传输特性的定量分析286

7.3.3 双曲色散材料与各向同性材料交界面处的负折射288

7.4 双曲色散材料的空间滤波特性289

7.4.1 金属—介质多层膜的光学传递函数289

7.4.2 金属—介质多层膜空间滤波特性的莫尔干涉条纹表征290

7.4.3 离轴照明下的莫尔干涉条纹293

7.5 双曲色散材料的典型应用294

7.5.1 双曲透镜及超衍射成像294

7.5.2 超分辨光刻299

7.5.3 非对称传输299

7.5.4 自发辐射调控302

7.5.5 热辐射调控304

7.5.6 有源和可调谐双曲材料器件305

7.6 双曲色散超表面306

参考文献308

第8章 光子晶体310

8.1 光子晶体的概念310

8.2 光子带隙理论311

8.3 光子晶体的分析方法313

8.4 光子晶体的电磁效应及应用316

8.4.1 光子晶体导波效应316

8.4.2 光子晶体滤波及应用323

8.4.3 光子晶体激光器326

8.4.4 手性光子晶体的圆偏振分束效应331

8.4.5 基于光子晶体的宽波段角度选择333

8.4.6 光子晶体中的二次谐波产生334

8.4.7 基于光子晶体的无源辐射制冷效应342

8.4.8 基于光子晶体的介质零折射率材料343

8.4.9 基于光子晶体的拓扑绝缘体344

8.4.10 光子晶体光纤350

参考文献356

第三篇 亚波长电磁结构加工和表征技术365

第9章 可见光、红外及太赫兹波段亚波长结构加工技术365

9.1 高精度衬底加工技术365

9.1.1 化学机械抛光（CMP）365

9.1.2 磁流变抛光370

9.1.3 离子束修形375

9.2 薄膜沉积技术380

9.2.1 真空蒸发沉积380

9.2.2 溅射沉积386

9.2.3 分子束外延生长392

9.2.4 化学气相沉积396

9.2.5 原子层沉积技术402

9.2.6 电镀407

9.3 图形加工技术408

9.3.1 图形直写技术409

9.3.2 光学成像光刻技术450

9.3.3 激光干涉光刻459

9.3.4 纳米压印462

9.3.5 自组装技术467

9.4 图形转移技术476

9.4.1 溶脱剥离技术477

9.4.2 湿法腐蚀技术478

9.4.3 离子束刻蚀技术482

9.4.4 反应离子刻蚀技术489

9.4.5 反应离子深刻蚀技术494

9.4.6 原子层刻蚀技术501

参考文献506

第10章 微波波段亚波长电磁结构加工技术520

10.1 印制电路板制作技术520

10.1.1 衬底基材520

10.1.2 紫外光刻工艺521

10.1.3 高精密机械雕刻工艺531

10.1.4 激光加工工艺531

10.2 低温共烧结陶瓷制作技术532

10.2.1 LTCC材料533

10.2.2 LTCC加工流程533

10.3 表面贴装技术538

10.4 3D打印540

10.4.1 3D打印材料540

10.4.2 3D打印技术541

10.4.3 3D打印在微波波段亚波长电磁结构加工中的应用545

10.5 4D打印546

参考文献547

第11章 亚波长结构的典型加工实例549

11.1 超材料加工549

11.1.1 负折射率材料的加工549

11.1.2 零折射率材料的加工554

11.1.3 超高折射率材料的加工555

11.1.4 手性超材料的加工556

11.2 表面等离子体器件加工559

11.2.1 表面等离子体高分辨彩色滤光片加工559

11.2.2 表面等离子体薄膜光伏器件加工563

11.2.3 局域表面等离子体传感结构加工566

11.2.4 可见光波段倏逝波定向传输及莫尔条纹器件加工568

11.3 超表面加工571

11.3.1 平面超表面结构加工571

11.3.2 平面多层超表面结构加工579

11.3.3 曲面多层超表面结构加工583

11.4 光子晶体加工584

11.4.1 一维光子晶体加工584

11.4.2 二维光子晶体加工585

11.4.3 三维光子晶体加工586

参考文献596

第12章 亚波长结构、材料及器件形貌表征技术602

12.1 光学显微测量技术602

12.1.1 目镜分划测量法603

12.1.2 显微镜与电子技术结合的方法603

12.2 光学干涉面形测量技术604

12.2.1 Twyman-Green型干涉检测系统604

12.2.2 Fizeau型干涉检测系统605

12.2.3 点衍射干涉检测系统606

12.3 光学扫描成像技术607

12.3.1 共聚焦激光扫描光学显微技术607

12.3.2 离焦显微成像技术609

12.3.3 偏振干涉成像技术609

12.3.4 外差干涉测量技术610

12.3.5 白光干涉测量技术611

12.4 探针扫描成像技术613

12.4.1 机械式探针扫描轮廓仪613

12.4.2 扫描隧道显微镜614

12.4.3 原子力显微镜615

12.5 电子成像技术618

12.5.1 扫描电子显微镜618

12.5.2 透射电子显微镜620

参考文献622

第13章 亚波长结构、材料及器件电磁性能表征技术624

13.1 亚波长结构材料的本构参数表征624

13.1.1 基于斯涅耳定律的折射率表征方法624

13.1.2 基于参数反演的表征方法625

13.2 亚波长结构材料及器件的频谱表征633

13.2.1 微波段频谱表征633

13.2.2 太赫兹波段光谱性能表征635

13.2.3 红外波段光谱性能表征636

13.2.4 紫外-可见光波段光谱性能表征638

13.3 亚波长结构器件远场辐射性能表征642

13.3.1 微波段远场辐射性能表征技术642

13.3.2 光波段远场辐射性能表征技术648

13.4 亚波长结构材料及器件近场性能表征653

13.4.1 微波、太赫兹波段近场性能表征653

13.4.2 光波段近场性能表征656

13.5 中间场表征技术662

13.6 涡旋光束轨道角动量表征技术665

13.6.1 叉状衍射光栅测量轨道角动量665

13.6.2 平面波干涉法测量轨道角动量666

13.6.3 杨氏双缝等孔径干涉法测量轨道角动量666

13.6.4 角向相位梯度转化测量轨道角动量667

参考文献668