石墨烯在太赫兹及中红外频段电磁器件设计中的应用

中国水利水电出版社

【作者】李艳秀庄华伟著

【I S B N 】978-7-5226-1921-7

【责任编辑】张玉玲

【适用读者群】本专通用

【出版时间】2024-01-05

【开本】16开

【装帧信息】平装（光膜）

【版次】第1版第1次印刷

【页数】204

【千字数】243

【印张】12.75

【定价】￥75

【丛书】

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本书是关于石墨烯在太赫兹及中红外频段电磁器件设计中的应用方面的研究书籍。通过本书，读者能够了解石墨烯的基本性能，变换光学及等离激元等技术的产生机理，并能了解石墨烯在太赫兹及中红外频段电磁器件设计中的应用。

本书概念讲解清楚，系统性强，是作者多年从事电磁场与石墨烯方面研究的成果总结，具有较强的实用性，可供高等院校无线电物理、电磁场微波与技术等相关专业的学生及教师阅读。

太赫兹及中红外频段纳米光子学器件新技术的发展与应用，是我国实现“双碳”目标和可持续发展的重要保障。在国家层面，需要突破制约我国可持续发展的关键核心技术瓶颈，需要重点开展对“卡脖子”关键核心技术的攻关行动。在行业层面，需要通过科技创新促进产业结构调整和优化升级。为实现国家“双碳”目标，应进一步提升我国关键核心技术水平及自主创新能力，同时积极推动关键核心技术向产业、资本领域的渗透应用。太赫兹（THz）光子学材料和器件作为新兴战略性前沿技术领域之一，其研究成果对于实现先进科学技术发展具有极其重要的意义：

（1）太赫兹光子学材料的发展将为下一代太赫兹通信和探测系统提供基础。

（2）太赫兹波是一种非常理想的、可以实现超远距离传输的电磁辐射工具。

（3）太赫兹光子学材料及器件是中红外波段光子学探测器的重要支撑材料。

当前中红外波段太赫兹探测器尚处于研发阶段，然而，由于缺少国际上先进技术的支持，研制出各种新颖、简单、高效的微纳光学器件，一直是国内研究工作者面临的一大挑战。近年来，随着微纳光子学技术和微电子学的快速发展，集成纳米光子学成为了新的研究热点。传统材料的纳米光子学器件存在着体积大、质量重、稳定性差等缺点，这对大规模集成和应用造成影响。另外，传统材料的制造工艺也存在着不稳定、复杂、昂贵及难以大规模生产，甚至会产生有害杂质及辐射污染环境等问题。因此，研究如何利用新型材料来制备和加工纳米光子学器件就成为必要而又迫切的科研任务。

石墨烯是一种由碳原子构成的二维材料，其具有独特而优异的物理和化学特性。从理论上讲，石墨烯完全是由单原子层组成，厚度仅为一个原子厚度甚至更薄。同时，石墨烯还具有高导电率、几乎完美的光学性能（高透光率）、优异的化学稳定性、耐腐蚀和抗辐射能力、高熔点等特点。这也使其成为理想的光子材料，受到各领域学者的高度关注，尤其是在等离子体器件的研究方面，如光子检测器、等离子开关、滤波器、隐身衣、转换光学、双曲超材料、超透镜等，尤其在硅波导中的电光调制器等方面更是凸显出巨大的应用价值。因此，基于石墨烯在太赫兹及中红外频段进行电磁器件的研究与设计是非常有意义也是非常必要的。

本书从有关的基本电磁理论出发，系统论述了石墨烯在太赫兹及中红外频段电磁器件设计中的应用。全书共7章：第1章介绍本书的研究背景，石墨烯简介，表面等离子体激元概念及研究背景，变换光学的概念及研究进展，以及研究内容及创新点等；第2章介绍电磁基本理论及数值计算方法，包括电磁理论基本方程，物质的电磁特性，边界条件和辐射条件，有限差分法，时域有限差分法，有限元法及矩量法等；第3章介绍石墨烯色散关系及模式理论分析；第4章介绍基于变换光学和等离激元的石墨烯透镜，包括等离激元变焦距平板透镜和半麦克斯韦鱼眼透镜，以及焦距可调的红外透镜；第5章介绍基于变换光学的石墨烯电磁斗篷技术研究；第6章介绍石墨烯布拉格反射器，包括介质截止厚度可调的石墨烯布拉格反射器和基于不同纳米带宽度的石墨烯布拉格反射器；第7章将介绍石墨烯带通滤波器。

本书由山东交通学院李艳秀、山东建筑大学庄华伟共同完成。在编写和出版过程中，得到了山东交通学院信息科学与电气工程学院电子信息教研室主任武华及全体教师的积极支持和关心。中国水利水电出版社的领导和有关同志为本书的编辑、出版做了大量的工作，在此向他们谨致深切的谢意。

在本书编写过程中，作者从与山东交通学院信息科学与电气工程学院电子信息系、山东建筑大学信电学院的同事们的讨论、切磋中获益匪浅。但限于作者的水平，书中不妥和错误之处在所难免，诚望各位读者不吝赐教！

作者

2022年6月

第1章绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 石墨烯简介 5
1.2.1 石墨烯的发现 5
1.2.2 石墨烯的结构及性能 7
1.2.3 石墨烯的制备 11
1.2.4 石墨烯的掺杂 13
1.3 表面等离子体激元概念及研究背景 14
1.3.1 表面等离子体激元简介 14
1.3.2 表面等离子体激元的基本原理 15
1.3.3 表面等离激元器件的研究背景及应用 18
1.4 变换光学的概念及研究进展 20
1.4.1 变换光学的概念 20
1.4.2 变换光学的基本特征 21
1.4.3 变换光学的研究进展及应用 29
1.5 研究内容及创新点 32
第2章电磁基本理论及数值计算方法 36
2.1 电磁基本理论 36
2.1.1 麦克斯韦方程组 36
2.1.2 物质的电磁特性 39
2.1.3 边界条件和辐射条件 42
2.2 电磁基本原理和定理 44
2.2.1 亥姆霍兹定理 44
2.2.2 唯一性定理 46
2.2.3 镜像定理 47
2.2.4 洛伦兹互易定理 48
2.2.5 等效原理 49
2.3 电磁学中的数值计算方法 50
2.3.1 数值计算方法的产生与发展 50
2.3.2 数值计算方法产生的意义 52
2.3.3 主要的数值计算方法 53
2.3.4 数值色散在空间及时间离散间隔的要求 69
2.3.5 边界条件设置 71
第3章石墨烯色散关系及模式理论分析 75
3.1 横向大尺寸石墨烯表面电导率及其色散关系 75
3.1.1 石墨烯表面电导率的半经典模型 75
3.1.2 置于半无穷大介质空间中的石墨烯色散关系 78
3.1.3 介质厚度可调的石墨烯色散关系 80
3.2 石墨烯SPP的基本属性 83
3.3 石墨烯SPP的激发方式 86
3.4 石墨烯纳米带SPP模式分析及色散关系 87
第4章基于变换光学和等离激元的石墨烯透镜 94
4.1 背景介绍 94
4.2 等离激元变焦距石墨烯平板透镜 95
4.2.1 理论分析 95
4.2.2 实现原理 97
4.2.3 仿真结果与分析 99
4.2.4 相关滤波系统设计 103
4.3 石墨烯半麦克斯韦鱼眼透镜 104
4.3.1 理论分析与建模 105
4.3.2 数值仿真与性能分析 107
4.4 焦距可调的石墨烯红外透镜 111
4.4.1 理论分析 111
4.4.2 模型建立 113
4.4.3 数值仿真 115
第5章基于变换光学的石墨烯电磁斗篷技术研究 121
5.1 变换光学与超材料 121
5.2 电磁斗篷 123
5.3 圆柱及球形隐身斗篷的设计 125
5.3.1 圆柱隐身斗篷的参数计算 125
5.3.2 圆柱隐身斗篷的模型说明 127
5.3.3 圆柱隐身斗篷的数值仿真 128
5.3.4 球形隐身斗篷的设计与仿真 128
5.4 椭圆隐身斗篷的设计 129
5.4.1 参数计算 130
5.4.2 模型设置 132
5.4.3 数值仿真 133
5.5 通过空间压缩设计的隐身斗篷 135
5.5.1 参数计算 135
5.5.2 仿真及讨论 137
5.6 任意形状的隐身斗篷的分析与仿真 141
5.7 基于变换光学的石墨烯隐身斗篷 144
5.7.1 理论分析 144
5.7.2 模型设计 144
5.7.3 数值仿真 147
第6章石墨烯布拉格反射器 153
6.1 背景介绍 153
6.2 介质截止厚度可调的石墨烯布拉格反射器 154
6.2.1 介质截止厚度分析与建模 155
6.2.2 仿真结果与介质截止厚度对反射器性能的影响 158
6.3 基于不同纳米带宽度的石墨烯布拉格反射器 161
6.3.1 理论分析与建模 162
6.3.2 数值仿真与理论分析 163
第7章石墨烯带通滤波器 169
7.1 背景介绍 169
7.2 波导电磁理论基础 171
7.2.1 波动方程 171
7.2.2 亥姆霍兹方程 172
7.2.3 电磁场的边界连续性条件 173
7.2.4 波导中的TE与TM模式电磁场分量及其边界条件 175
7.3 基于石墨烯纳米带SPP带通滤波器研究 177
7.3.1 滤波器结构建模及理论分析 178
7.3.2 数值仿真与性能分析 181
附录常用符号说明 188
参考文献 189

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