零折射率超材料中電磁波的傳播.pdf

1、人工電磁超材料以其介電常數(shù)和磁導(dǎo)率可以設(shè)計(jì)為任意值的特點(diǎn)展現(xiàn)出了許多傳統(tǒng)材料沒有的獨(dú)特的電磁特性，成為目前多個(gè)領(lǐng)域研究和開發(fā)工作的重點(diǎn)。而作為超材料的一種，折射率近零的超材料也日益受到廣泛的關(guān)注。因?yàn)槠湔凵渎式?，?dǎo)致電磁波在其中傳播時(shí)相速度無限大，幾乎不會(huì)引起電磁波的相位變化，這一特點(diǎn)使得零折射率超材料具備了很多非凡的物理性能，在定制波陣面、創(chuàng)建亞波長通道、調(diào)控缺陷控制電磁波傳播、構(gòu)建光學(xué)納米電路以及制造近乎完美的彎曲波導(dǎo)等很多方面得

2、到了廣泛的應(yīng)用。因此研究電磁波在零折射率超材料中的傳播情況非常有必要。
　　本論文重點(diǎn)研究了帶有缺陷的零折射率超材料的電磁特性，然后分析了折射率在正值、零和負(fù)值間可調(diào)的超材料的設(shè)計(jì)思路。具體內(nèi)容如下：
　　一、帶布拉格光纖狀缺陷的零折射率超材料或近零介電常數(shù)超材料實(shí)現(xiàn)物體隱身和Fano共振
　　將布拉格光纖結(jié)構(gòu)的介電缺陷分別引入到零折射率超材料和近零介電常數(shù)超材料中去，經(jīng)過理論分析和數(shù)值模擬，所構(gòu)成的超材料可以用來實(shí)現(xiàn)

3、一維隱身效果，對于波長位于帶隙范圍中的電磁波而言，布拉格光纖結(jié)構(gòu)其性能就如同完美電導(dǎo)體或完美磁導(dǎo)體一樣，可以完全阻止電磁波穿透進(jìn)入內(nèi)部核層結(jié)構(gòu)，所以此時(shí)若在介質(zhì)核內(nèi)部放置任意物體，都不會(huì)導(dǎo)致電磁波的透射情況發(fā)生變形。另外在透射光譜中也觀察到了在全反射和全透射之間變化的窄Fano線型和寬Fano線型，這兩者分別對應(yīng)核共振和布拉格光纖結(jié)構(gòu)的共振。通過數(shù)值推導(dǎo)，我們得出了該結(jié)構(gòu)發(fā)生全反射和全透射的條件。
　　二、近零介電常數(shù)超材料模擬完

4、美磁導(dǎo)體
　　當(dāng)在近零介電常數(shù)（Epsilon-near-zero metamaterials，ENZ）的材料中引入任意形狀的介電缺陷時(shí)，其對于恒磁場（磁場H?只沿著z方向）TM模式的電磁波入射可以呈現(xiàn)出等效的完美磁導(dǎo)體（Perfect magnetic conductor，PMC）的效果。這是因?yàn)橥ㄟ^調(diào)控介質(zhì)缺陷的材料參數(shù)，當(dāng)缺陷中發(fā)生磁共振時(shí)，其共振節(jié)點(diǎn)會(huì)落在缺陷的邊界上，而缺陷外的ENZ材料可以將這種零磁場的模式傳輸?shù)浇Y(jié)構(gòu)的

5、外部邊界上，從而使得結(jié)構(gòu)整體體現(xiàn)出PMC的特點(diǎn)。通過對比散射、全反射和完美吸收的效果，我們發(fā)現(xiàn)此結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出良好的性能。同時(shí)，結(jié)構(gòu)中無論使用各向同性或者各向異性或者帶吸收的零介電常數(shù)材料，都能呈現(xiàn)出相同的特點(diǎn)。因此我們的研究結(jié)果提供了一種很實(shí)際并很靈活的方式來實(shí)現(xiàn)從微波段到紅外和可見光波段等效的PMC效果。
　　三、負(fù)值-零-正值間可調(diào)折射率的實(shí)現(xiàn)
　　通過分析球形顆粒摻雜的復(fù)合體系發(fā)生電共振和磁共振的條件，確定了復(fù)合體系要得