太赫茲及中紅外頻段納米光子學器件新技術的發展與應用，是我國實現“雙碳”目標和可持續發展的重要保障。在國家層面，需要突破制約我國可持續發展的關鍵核心技術瓶頸，需要重點開展對“卡脖子”關鍵核心技術的攻關行動。在行業層面，需要通過科技創新促進產業結構調整和優化升級。為實現國家“雙碳”目標，應進一步提升我國關鍵核心技術水平及自主創新能力，同時積極推動關鍵核心技術向產業、資本領域的滲透應用。太赫茲（THz）光子學材料和器件作為新興戰略性前沿技術領域之一，其研究成果對于實現先進科學技術發展具有極其重要的意義：

（1）太赫茲光子學材料的發展將為下一代太赫茲通信和探測系統提供基礎。

（2）太赫茲波是一種非常理想的、可以實現超遠距離傳輸的電磁輻射工具。

（3）太赫茲光子學材料及器件是中紅外波段光子學探測器的重要支撐材料。

當前中紅外波段太赫茲探測器尚處于研發階段，然而，由于缺少國際上先進技術的支持，研制出各種新穎、簡單、高效的微納光學器件，一直是國內研究工作者面臨的一大挑戰。近年來，隨著微納光子學技術和微電子學的快速發展，集成納米光子學成為了新的研究熱點。傳統材料的納米光子學器件存在著體積大、質量重、穩定性差等缺點，這對大規模集成和應用造成影響。另外，傳統材料的制造工藝也存在著不穩定、復雜、昂貴及難以大規模生產，甚至會產生有害雜質及輻射污染環境等問題。因此，研究如何利用新型材料來制備和加工納米光子學器件就成為必要而又迫切的科研任務。

石墨烯是一種由碳原子構成的二維材料，其具有獨特而優異的物理和化學特性。從理論上講，石墨烯完全是由單原子層組成，厚度僅為一個原子厚度甚至更薄。同時，石墨烯還具有高導電率、幾乎完美的光學性能（高透光率）、優異的化學穩定性、耐腐蝕和抗輻射能力、高熔點等特點。這也使其成為理想的光子材料，受到各領域學者的高度關注，尤其是在等離子體器件的研究方面，如光子檢測器、等離子開關、濾波器、隱身衣、轉換光學、雙曲超材料、超透鏡等，尤其在硅波導中的電光調制器等方面更是凸顯出巨大的應用價值。因此，基于石墨烯在太赫茲及中紅外頻段進行電磁器件的研究與設計是非常有意義也是非常必要的。

本書從有關的基本電磁理論出發，系統論述了石墨烯在太赫茲及中紅外頻段電磁器件設計中的應用。全書共7章：第1章介紹本書的研究背景，石墨烯簡介，表面等離子體激元概念及研究背景，變換光學的概念及研究進展，以及研究內容及創新點等；第2章介紹電磁基本理論及數值計算方法，包括電磁理論基本方程，物質的電磁特性，邊界條件和輻射條件，有限差分法，時域有限差分法，有限元法及矩量法等；第3章介紹石墨烯色散關系及模式理論分析；第4章介紹基于變換光學和等離激元的石墨烯透鏡，包括等離激元變焦距平板透鏡和半麥克斯韋魚眼透鏡，以及焦距可調的紅外透鏡；第5章介紹基于變換光學的石墨烯電磁斗篷技術研究；第6章介紹石墨烯布拉格反射器，包括介質截止厚度可調的石墨烯布拉格反射器和基于不同納米帶寬度的石墨烯布拉格反射器；第7章將介紹石墨烯帶通濾波器。

本書由山東交通學院李艷秀、山東建筑大學莊華偉共同完成。在編寫和出版過程中，得到了山東交通學院信息科學與電氣工程學院電子信息教研室主任武華及全體教師的積極支持和關心。中國水利水電出版社的領導和有關同志為本書的編輯、出版做了大量的工作，在此向他們謹致深切的謝意。

在本書編寫過程中，作者從與山東交通學院信息科學與電氣工程學院電子信息系、山東建筑大學信電學院的同事們的討論、切磋中獲益匪淺。但限于作者的水平，書中不妥和錯誤之處在所難免，誠望各位讀者不吝賜教！

作者

2022年6月

第1章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 石墨烯簡介 5
1.2.1 石墨烯的發現 5
1.2.2 石墨烯的結構及性能 7
1.2.3 石墨烯的制備 11
1.2.4 石墨烯的摻雜 13
1.3 表面等離子體激元概念及研究背景 14
1.3.1 表面等離子體激元簡介 14
1.3.2 表面等離子體激元的基本原理 15
1.3.3 表面等離激元器件的研究背景及應用 18
1.4 變換光學的概念及研究進展 20
1.4.1 變換光學的概念 20
1.4.2 變換光學的基本特征 21
1.4.3 變換光學的研究進展及應用 29
1.5 研究內容及創新點 32
第2章 電磁基本理論及數值計算方法 36
2.1 電磁基本理論 36
2.1.1 麥克斯韋方程組 36
2.1.2 物質的電磁特性 39
2.1.3 邊界條件和輻射條件 42
2.2 電磁基本原理和定理 44
2.2.1 亥姆霍茲定理 44
2.2.2 唯一性定理 46
2.2.3 鏡像定理 47
2.2.4 洛倫茲互易定理 48
2.2.5 等效原理 49
2.3 電磁學中的數值計算方法 50
2.3.1 數值計算方法的產生與發展 50
2.3.2 數值計算方法產生的意義 52
2.3.3 主要的數值計算方法 53
2.3.4 數值色散在空間及時間離散間隔的要求 69
2.3.5 邊界條件設置 71
第3章 石墨烯色散關系及模式理論分析 75
3.1 橫向大尺寸石墨烯表面電導率及其色散關系 75
3.1.1 石墨烯表面電導率的半經典模型 75
3.1.2 置于半無窮大介質空間中的石墨烯色散關系 78
3.1.3 介質厚度可調的石墨烯色散關系 80
3.2 石墨烯SPP的基本屬性 83
3.3 石墨烯SPP的激發方式 86
3.4 石墨烯納米帶SPP模式分析及色散關系 87
第4章 基于變換光學和等離激元的石墨烯透鏡 94
4.1 背景介紹 94
4.2 等離激元變焦距石墨烯平板透鏡 95
4.2.1 理論分析 95
4.2.2 實現原理 97
4.2.3 仿真結果與分析 99
4.2.4 相關濾波系統設計 103
4.3 石墨烯半麥克斯韋魚眼透鏡 104
4.3.1 理論分析與建模 105
4.3.2 數值仿真與性能分析 107
4.4 焦距可調的石墨烯紅外透鏡 111
4.4.1 理論分析 111
4.4.2 模型建立 113
4.4.3 數值仿真 115
第5章 基于變換光學的石墨烯電磁斗篷技術研究 121
5.1 變換光學與超材料 121
5.2 電磁斗篷 123
5.3 圓柱及球形隱身斗篷的設計 125
5.3.1 圓柱隱身斗篷的參數計算 125
5.3.2 圓柱隱身斗篷的模型說明 127
5.3.3 圓柱隱身斗篷的數值仿真 128
5.3.4 球形隱身斗篷的設計與仿真 128
5.4 橢圓隱身斗篷的設計 129
5.4.1 參數計算 130
5.4.2 模型設置 132
5.4.3 數值仿真 133
5.5 通過空間壓縮設計的隱身斗篷 135
5.5.1 參數計算 135
5.5.2 仿真及討論 137
5.6 任意形狀的隱身斗篷的分析與仿真 141
5.7 基于變換光學的石墨烯隱身斗篷 144
5.7.1 理論分析 144
5.7.2 模型設計 144
5.7.3 數值仿真 147
第6章 石墨烯布拉格反射器 153
6.1 背景介紹 153
6.2 介質截止厚度可調的石墨烯布拉格反射器 154
6.2.1 介質截止厚度分析與建模 155
6.2.2 仿真結果與介質截止厚度對反射器性能的影響 158
6.3 基于不同納米帶寬度的石墨烯布拉格反射器 161
6.3.1 理論分析與建模 162
6.3.2 數值仿真與理論分析 163
第7章 石墨烯帶通濾波器 169
7.1 背景介紹 169
7.2 波導電磁理論基礎 171
7.2.1 波動方程 171
7.2.2 亥姆霍茲方程 172
7.2.3 電磁場的邊界連續性條件 173
7.2.4 波導中的TE與TM模式電磁場分量及其邊界條件 175
7.3 基于石墨烯納米帶SPP帶通濾波器研究 177
7.3.1 濾波器結構建模及理論分析 178
7.3.2 數值仿真與性能分析 181
附錄 常用符號說明 188
參考文獻 189

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2. 民用航空飛機標準線路施工 [主編　王志敏　陳明]
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5. 三峽梯級電站水資源決策支持系統研究與開發 [姚華明 潘紅忠 湯正]
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7. 電子技術（第二版） [主編 覃愛娜 李飛]
8. 辦公自動化高級應用 [陳萍 朱曉玉]
9. 信息處理技術員考試32小時通關 [薛大龍]
10. 電子產品設計案例教程（微課版）—基于嘉立創EDA（專業版） [王靜 莫志宏 陳學昌 丁紅]
11. C程序設計實踐教程 [劉衛國]
12. C程序設計（慕課版） [劉衛國]
13. Web技術開發教程（基于.NET開源MVC框架） [王合闖 韓紅玲 王青正 陳海蕊]
14. 商務英語翻譯教程（筆譯）（第四版） [主編 王軍平]
15. 智慧零售技術與應用 [洪旭 著]
16. 建設工程法規實務 [主編 余瀅]
17. 商務秘書理論與實務（第三版） [主編 張同欽]
18. 程序設計基礎實踐教程（C/C++語言版） [張桂芬 葛麗娜]
19. C++案例項目精講 [主編 楊國興]
20. 勞動爭議處理實務 [主編 王秀卿 羅靜]
21. 工程數學 [主編 郭立娟 王海]
22. 語音識別理論與實踐 [主編　莫宏偉]
23. 信息系統項目管理師章節習題與考點特訓（第二版） [主編 薛大龍]
24. 武術基礎教程 [主編 李代勇 謝志民]
25. 計算機網絡實訓教程 [主編 張浩軍 趙玉娟]
26. 畫法幾何與機械制圖習題集（多學時） [主編 趙軍]
27. HCIA-Datacom認證題庫分類精講 [主 編 韓立剛]
28. SwiftUI完全開發 [李智威 著]
29. 網絡規劃設計師備考一本通 [夏杰 編著]
30. 電工電子技術基礎 [主編 劉 軍 楊國龍 劉天成]