人工電磁超材料波導的物理特性及其在光子器件上的應用.pdf

1、人工電磁超材料是由亞波長的結構單元周期性排列形成的等效介質。它具有強大的調控電磁波的能力，不僅可以支持新奇的電磁效應，如負折射、超分辨成像，還可以設計實現(xiàn)電磁隱身、超高折射率、零折射率，極慢的光波傳輸?shù)?。在本論文中，我們深入挖掘超材料波導的獨特性質，并探究了超材料波導在光子器件方面的若干應用。
　　首先，我們研究了左手性的超材料中傳播的電磁波的動量問題。介質中電磁波的動量問題已經飽受爭議長達一個世紀。對于左手超材料中的動量，人們甚

2、至還沒有搞清楚光動量的方向。這里我們從宏觀的Maxwell方程出發(fā)，研究了左手介質中的電磁場動量。最終的計算結果表明，左手介質中電磁波的動量方向是與能流的方向一致，與波矢的方向相反的。計算結果還表明，我們的動量理論與基本的物理規(guī)律，動量守恒和能量守恒定律相吻合。
　　接下來，我們研究了厚度漸變的超材料慢光波導中的光波傳輸問題。通過調節(jié)超材料波導的厚度到一個關鍵厚度，波導中的模式的群速度可以達到零。因為不同的光頻率對應不同的關鍵厚度

3、，一篇發(fā)表于Nature上的論文認為厚度漸變的慢光波導可以把不同頻率的光停止在不同的關鍵厚度處，形成所謂的“靜止彩虹”效應。但我們的研究發(fā)現(xiàn)，在關鍵厚度附近，前向模和后向模接近簡并，相互之間非常容易耦合。這種模式之間的耦合，會導致入射的能量被完全地反射回來，使光不可能完全停留在關鍵厚度處。不過，在這種波導里，光的傳播速度確實被顯著減小，光的傳播時間被大大延長。
　　在理論研究之后，我們還嘗試著利用超材料波導的獨特性質，設計出若干光

4、子器件。
　　我們設計了嵌有兩個橢圓形金屬納米顆粒的介質波導。兩個金屬納米顆粒分別工作在亮態(tài)和暗態(tài)上。它們之間的近場耦合使得波導的透射譜出現(xiàn)類似于量子系統(tǒng)中出現(xiàn)的電磁感應透明現(xiàn)象。
　　我們還研究了由雙曲超材料形成的單個波導和耦合波導的模式特性。研究發(fā)現(xiàn)，雙曲超材料形成的波導可以支持折射率超高的波導模式。利用這種高折射率性質，我們用兩根波導耦合形成溝槽結構，實現(xiàn)了極大的光場增強和光力增強。
　　我們用損耗強各向異性的超