基于施加偏置电压后固态等离子体(SSP)可以在金属态或介质态之间进行切换的特性,设计了一种基于SSP材料的可重构双功能超材料极化转换器。研究结果表明,当SSP为金属态时,所设计的超材料极化转换器可以在较宽的频率范围内实现反射式线- 线极化转换,转换效率超过98%。当SSP为介质态时,所设计的超材料极化转换器工作在透射模式下,此时可以实现透射式线- 圆极化转换。通过表面电流分布解释了极化转换的物理机理;通过改变结构参数,研究了SSP处于金属态和介质态时的极化转换性能,证明了所设计的基于SSP的超材料极化转换器不仅具有可重构的极化转换特性,而且对结构参数的轻微变化能够保持良好的鲁棒性,有利于实际制作和实验验证。此外,入射角度的轻微变化,对两种状态下的极化转换特性不会产生大的影响,也满足实际需求。所设计的超材料极化转换器不仅可以满足不同工作模式、不同转换性能的应用需求,而且在通信、传感和成像方面具有潜在应用前景。

设计了一款基于石墨烯和二氧化钒图案的双重可调谐宽频带超材料吸收器, 当二氧化钒的电导率和石墨烯的化学势分别为200 000 S/m和0.5 eV时, 吸收率超过90%的带宽达到4.2 THz。研究结果表明, 保持二氧化钒电导率不变, 吸收频带的位置和平坦性可以通过改变石墨烯的化学势在一定范围内进行调节; 如果固定石墨烯的化学势, 则宽吸收频带的吸收率的强弱可以通过改变二氧化钒的电导率进行大幅度调节, 最大调制深度约为75%。同时, 所设计的超材料吸收器还具有极化不敏感以及宽入射角的特性。基于二氧化钒电导率和石墨烯化学势的双重可调控特性, 使得所设计的超材料吸收器在宽带THz吸收、开关和调制等领域具有潜在的应用价值。

本文提出了一种基于二氧化钒(VO2)相变特性的温度可调控双频超薄太赫兹超材料吸收器, 该吸收器由顶层金-VO2谐振器, 中间SiO2介质层以及底层连续的金膜组成。在室温时, VO2处于绝缘态, 所提出的吸收器在共振频率4.11 THz和6.01 THz处实现吸收率分别为94.3%和99.6%的双频吸收; 随着温度升高至340 K, VO2呈现金属态, 吸收器的两个吸收峰发生红移, 在共振频率2.55 THz和5.29 THz处分别实现95.8%和93.4%的吸收。该吸收器的厚度仅为最小和最大工作波长的1/19和1/45, 具有超薄特性。通过VO2处于不同相变态时吸收器的表面电流分布阐明了可调控的吸收机制。此外, 本文所提出的吸收器对TE和TM波都具有极化不敏感和斜入射吸收的特性。

空间引力波探测面向0.1 mHz～1 Hz频段引力波信号, 在此频段内包含了更大特征质量和尺度的波源信息。目前的空间引力波探测计划都采用大型激光干涉仪装置进行探测, 其中激光光源系统以及无拖曳系统等关键部件的灵敏度都依赖于极低的电学噪声, 然而极低电学噪声受限于航天器上电压基准源的噪声水平, 这就需要研发低噪声电压基准源并对激光强度噪声及关键电学器件的电学噪声进行低频段噪声表征。本文通过选定低噪声基准芯片, 并设计相关外围电路、仿真模拟、电磁屏蔽、采用低温漂系数元件、低噪声供电以及主动温控等技术手段实现了低噪声基准电压源的研制。由于0.1 mHz～1 Hz频段无法用现有商用设备进行此全频段噪声分析, 我们利用高精度数字万用表进行基准源输出电压的测试与采集, 并采用快速傅里叶变换法以及对数轴功率谱密度法将采集的数据进行计算处理, 得到所研发电压基准在0.01 mHz～1 Hz频段的电压噪声谱密度。实验结果表明电压噪声谱密度在0.01 mHz时达到1.85×10-3 V/Hz1/2, 在0.1 mHz～1 Hz的频率范围内在4.89×10-4 V/Hz1/2以下。此低噪声电压基准源的研发及其噪声评估为空间引力波探测中激光强度噪声抑制等方面提供关键器件支撑。

为了在宽频内实现可开关的高效率线极化转换，设计了一个嵌入PIN二极管的十字架型极化转换超表面。仿真结果显示，当PIN二极管处于导通状态时，在4.03～7.71 GHz范围内，该超表面的极化转换率超过90%，相对带宽为62.7%；当PIN二极管处于截止状态时，该超表面在工作频段相当于反射板。通过理论分析和表面电流分布解释了极化转换机理。最后，对所制作样品的实验测量进一步证实了该超表面可开关的极化转换效果。所设计的超表面有望应用于电磁兼容和极化探测等领域。

基于包含拉曼效应的三次-五次变系数非线性薛定谔方程的啁啾孤子解,研究了周期色散分布的饱和非均匀光纤系统中啁啾单孤子和双孤子的频谱演化特性。结果表明,在均匀光纤和非均匀光纤中,由于高阶效应仅与孤子的相位相关,因此高阶效应不会影响孤子时域中的波形,但会直接影响孤子的频谱。在均匀光纤中,孤子啁啾参数约化为零,高阶效应使无啁啾的单孤子频谱发生红移,且频谱的高频侧出现旁瓣;相对于单孤子,平行演化和相互碰撞的双孤子的频谱均会产生分裂,而高阶效应会加剧双孤子频谱的分裂。与均匀光纤中单孤子和双孤子的特性相比,在周期色散分布光纤中,啁啾参数周期性的变化导致单孤子的脉宽和频谱周期性地被压缩和展宽;而对于双孤子,在碰撞时其频谱出现极大展宽,啁啾使准平行传输和相互碰撞的双孤子在相互靠近时的频谱发生蓝移,而高阶效应使其频谱发生红移。研究结果对研究超快光通信系统中高功率信号的频谱特性具有重要的意义。

基于光敏半导体材料电导率可被外部泵浦光调控的特性,通过在嵌套的类方环单元结构中嵌入半导体材料砷化镓,设计了一种动态光控单频/双频可切换的超材料吸收器。在此基础上,根据不同波长的泵浦光对不同半导体材料的激发特性,引入第二种半导体材料锗,将第一种结构进行拓展,提出了一种光可控的多频段超材料吸收器,利用不同波长的泵浦光调控半导体材料的电导率,实现了单频/双频/三频吸收状态任意切换的吸收特性。仿真结果表明,所设计的吸收器具有偏振不敏感和宽角度入射的特性,有望在调制器、频率选择器、探测器等领域得到应用。

基于描述超材料中超短脉冲传输的高阶非线性薛定谔方程,采用行波法得到一种精确的飞秒准亮孤子解及其存在条件。研究发现,在群速度色散、三阶色散、三次-五次非线性、自陡峭和二阶非线性色散效应的精确平衡下,超材料中可存在该飞秒准孤子;当三阶色散和二阶非线性色散不存在时,该准孤子无法存在。基于Drude模型,详细讨论了不同非线性超材料中该飞秒准亮孤子存在的不同折射区域。结果表明,该飞秒准孤子可存在于自散焦非线性超材料的负折射区和自聚焦非线性超材料的正折射区,而且在不同区域具有不同的脉冲强度和宽度。这意味着,通过选择不同非线性超材料和输入电磁波的频率,使其位于相应的存在区域,可以实现对孤子特性的调控。

连续变量压缩态光场在特定分量能够突破量子噪声极限,在量子信息科学的发展中已经成为不可或缺的量子资源。光电二极管具有一定结电容,结合外围电感可形成电感电容(LC)共振电路,进而可以实现对单一频率范围内信号的共振增强探测,通过选取低噪声运算放大器,高性能镀金电路板材以及优化各种元件在电路板上的布局等措施来提升共振型探测器性能,最终研制了一款品质因子高达2286的高性能共振型探测器。此探测器可为连续变量压缩态以及纠缠态光场的实验制备提供有效资源,进而推动连续变量量子信息科学的发展。

本文设计了一种基于同心纳米圆环谐振腔的金属-介质-金属(MIM)表面等离子体光波导(SPW), 其中外侧是一个完整的环形谐振腔, 而内侧环形谐振腔带有一个微小缺口。利用数值和解析方法分析了不同几何参数下的传输特性。可以发现, 当缺口宽度θ=5°, 位置φ=45°时, 会在波长674 nm处产生明显的等离子体诱导吸收(Plasmonic Induced Absorption, PIA)现象。基于此, 首先研究了该结构在折射率传感器方面的应用, 研究结果表明, 其灵敏度超过600 nm/RIU, 最大品质因子约为700。其次研究了其快光和慢光特性, 在PIA传输谷处会产生约-0.081 ps的光学延迟, 意味着较大的异常色散和快光效应, 而在PIA传输谷两侧的传输峰处会分别产生约为0.045 ps和0.043 ps的光学延迟, 意味着较大的正常色散和慢光效应。这种表面等离子体光波导结构在折射率传感器、纳米滤波器、光开关和片上纳米光学器件集成等领域有一定的应用前景。