人工微結(jié)構(gòu)材料的特性與應(yīng)用的若干研究.pdf

1、長久以來，人們一直在尋找一種有效的方法來控制光的傳輸。在近二十年中，光子晶體和人工電磁媒質(zhì)，這兩種人造材料，由于其局域和控制光傳輸?shù)哪芰σ约八鼈兯哂械某匀坏钠娈愲姶盘匦裕饾u成為了光學(xué)、電磁學(xué)、物理學(xué)等多個領(lǐng)域的研究熱點。
　　 光子晶體是一種由介質(zhì)（或者金屬-介質(zhì)）周期性排列而成的人工微結(jié)構(gòu)材料，它的電磁特性主要由結(jié)構(gòu)的周期性決定。由于光子晶體的禁帶可以限制光的傳輸，人們已經(jīng)將其用于實現(xiàn)高Q腔，小型波導(dǎo)，以及微激光器等。

2、同時，利用其特殊的色散曲線可以實現(xiàn)對于光群速度的控制，光束整形，負折射現(xiàn)象和超棱鏡效應(yīng)等。
　　 人工電磁媒質(zhì)往往是由亞波長的共振金屬結(jié)構(gòu)單元組成，它的電磁性質(zhì)主要由單元結(jié)構(gòu)的共振響應(yīng)所決定。人工電磁媒質(zhì)的本構(gòu)參數(shù)是靈活可調(diào)的，通過合理的設(shè)計共振單元可以實現(xiàn)所需的等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。由于這特性，人工電磁媒質(zhì)已經(jīng)被廣泛的用于實現(xiàn)負折射率、電磁隱身、完美吸波、超透鏡和極化控制等。
　　 在本論文中，我們將對于包括光子晶體和

3、人工電磁媒質(zhì)在內(nèi)的人工微結(jié)構(gòu)材料的特性和運用進行若干研究和探索。本論文中的主要工作如下：
　　 1.我們設(shè)計一個純介質(zhì)波導(dǎo)實現(xiàn)局域的“光輪”現(xiàn)象，并解釋了其形成的物理機理，同時研究了禁帶邊緣由于反向耦合形成的非局域光輪模式。該模式的存在可以使得這個復(fù)合波導(dǎo)在很短的長度上獲得較大的Q值。
　　 2.我們研究了一維EIT（電磁誘導(dǎo)透明）光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)和等頻率曲線隨耦合光拉比頻率的變化。對于某一特定頻率的探針光，僅通過調(diào)節(jié)

4、耦合光的拉比頻率，實現(xiàn)了正折射和負折射兩種情形。并研究通過EIT光子晶體的這種可調(diào)性來控制光的傳輸。
　　 3.我們設(shè)計了太赫茲波段的廣角且極化不敏感的人工吸波材料，在1/25波長的厚度上實現(xiàn)了近完美的吸波。通過數(shù)值模擬分析了該人工結(jié)構(gòu)的吸波是由于磁偶極子共振所產(chǎn)生。同時，研究了通過多層人工結(jié)構(gòu)之間的共振耦合實現(xiàn)大帶寬的吸波。同時我們在實驗上驗證了該人工結(jié)構(gòu)的單層吸波特性。
　　 4.我們設(shè)計了雙層結(jié)構(gòu)的人工手征電磁媒質(zhì)

5、，實現(xiàn)了90°偏振旋轉(zhuǎn)器。分析了該人工手征電磁媒質(zhì)的巨旋光效應(yīng)，并指出它是由于磁偶極共振的橫向耦合產(chǎn)生。同時，我們研究了結(jié)構(gòu)在傳播方向上的手征性和交叉極化透射之間的關(guān)系。該人工手征電磁媒質(zhì)所具有的2700°/λ的旋光強度是目前文獻中所報道的最大旋光強度。
　　 5.我們研究了TE模式的狹縫透射增強。通過在一層表面鍍有二維金屬線陣列的覆蓋層，我們實現(xiàn)了TE模式透射率的800倍的增強。通過數(shù)值模擬，分析了狹縫上方金屬線的電偶極子共振