基于近零介電常數(shù)材料的特殊波導(dǎo)模式及其激發(fā)研究.pdf

1、色散介質(zhì)與電磁波相互作用時(shí)，其介電常數(shù)顯著依賴于電磁波的頻率，其中波速也與頻率有關(guān)。這類介質(zhì)材料不僅在自然界中天然存在，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展人們也可以設(shè)計(jì)和制備具有特定色散特性的材料。當(dāng)電磁波的頻率在某個(gè)頻率附近時(shí)，某些色散材料的相對(duì)介電常數(shù)值在零值附近，被稱為近零介電常數(shù)（ENZ）材料。材料的介電常數(shù)等于零時(shí)會(huì)導(dǎo)致材料具有傳統(tǒng)材料不具有的一些新的光學(xué)特點(diǎn)，例如強(qiáng)耦合效應(yīng)、隧道效應(yīng)，近幾年對(duì)這類材料的研究越來越成為國(guó)際學(xué)者研究的熱點(diǎn)。

2、r>　　由于近零介電常數(shù)材料本身具有不少新穎的特點(diǎn)，以這種材料為基礎(chǔ)的納米波導(dǎo)結(jié)構(gòu)也成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)，其中“Berreman模式”、“Brewster模式”與“ENZ模式”都是由基于這種材料的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的?！癇erreman模式”、“Brewster模式”屬于輻射模式，而“ENZ模式”屬于束縛模式?！癊NZ模式”這種特殊的波導(dǎo)模式一般存在于納米結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)中，而該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中存在近零介電常數(shù)材料，在近零介電常數(shù)材料工作頻率附近波導(dǎo)中傳播

3、的特殊波導(dǎo)模式被命名為“ENZ模式”。當(dāng)前對(duì)“Berreman模式”與“Brewster模式”的研究已經(jīng)比較成熟了，近年來研究的熱點(diǎn)主要集中在“ENZ模式”，本論文將對(duì)薄膜平面波導(dǎo)中的這種特殊模式進(jìn)行研究。
　　這種特殊波導(dǎo)模式在近零介電常數(shù)材料中傳播，因而能夠使電磁場(chǎng)幾乎完全局限于波導(dǎo)的零介電常數(shù)介質(zhì)層，本論文對(duì)薄膜平面層狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的這種特殊波導(dǎo)模式進(jìn)行了研究。論文利用了介質(zhì)對(duì)電場(chǎng)的局域和非局域響應(yīng)理論，首先推導(dǎo)了兩種情況下波

4、導(dǎo)的色散關(guān)系，其中對(duì)局域的情況又分兩種情況進(jìn)行了討論：波導(dǎo)芯層材料為各向同性的均勻材料，以及波導(dǎo)芯層材料為單軸各向異性的均勻材料，而考慮介質(zhì)非局域效應(yīng)情況下的波導(dǎo)，這里只討論各向同性的均勻材料；其次在這些理論推導(dǎo)基礎(chǔ)上，通過數(shù)值求解我們對(duì)局域與非局域兩種情況的波導(dǎo)色散曲線進(jìn)行了研究，并且特別當(dāng)相對(duì)介電常數(shù)的值趨近零時(shí)，對(duì)波導(dǎo)中電場(chǎng)強(qiáng)度的分布情況進(jìn)行了分析，從而得到當(dāng)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中存在這種特殊的波導(dǎo)模式時(shí)，近零介電常數(shù)材料中電場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生了極大

5、增強(qiáng)的結(jié)論;論文又研究了如何實(shí)現(xiàn)對(duì)近零介電常數(shù)波導(dǎo)中特殊導(dǎo)波模式的激發(fā)，這里我們用基于有限元的數(shù)值模擬方法（COMSOL Multiphysics）進(jìn)行研究，并且探討了波導(dǎo)對(duì)偶極子輻射體輻射功率的影響，這為實(shí)現(xiàn)電偶極子輻射速率的調(diào)控提供了理論基礎(chǔ)。
　　超薄的半導(dǎo)體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)運(yùn)用先進(jìn)的納米技術(shù)是可以制造的，人們可以使用這種結(jié)構(gòu)波導(dǎo)的ENZ模式進(jìn)行電場(chǎng)的定向完美吸收、ENZ模式在超快電壓調(diào)制強(qiáng)耦合、光電調(diào)制器、超快的熱輻射和量子發(fā)光體