負(fù)折射率介質(zhì)的特性研究.pdf

1、負(fù)折射機(jī)制分為兩種，局域共振機(jī)制和非局域布拉格散射機(jī)制。電磁波在多數(shù)左手材料中的負(fù)折射屬于局域共振機(jī)制，在光子晶體中，布拉格散射機(jī)制起主要作用。局域共振機(jī)制不要求周期結(jié)構(gòu)的晶格常數(shù)與電磁波的波長(zhǎng)相比擬，周期結(jié)構(gòu)的單元可以遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，因此左手材料可以被視為均勻介質(zhì)。而布拉格機(jī)制要求晶格常數(shù)與電磁波的波長(zhǎng)相比擬，對(duì)于THz以及光波段，晶格常數(shù)在納米量級(jí)以下，對(duì)工藝要求非常高，因此絕大多數(shù)光子晶體為各向異性材料，不能用有效介質(zhì)理論來(lái)處理。如果

2、將左手材料定義為介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)的材料，則光子晶體不屬于左手材料，通過(guò)對(duì)光子晶體的結(jié)構(gòu)及光子能帶進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，也可以實(shí)現(xiàn)所需頻段的負(fù)折射。本論文從研究左手材料的負(fù)折射特性著手，延伸到光子晶體中，對(duì)兩類(lèi)介質(zhì)中的負(fù)折射機(jī)理進(jìn)行深入剖析，為左手材料和負(fù)折射光子晶體在集成光學(xué)中的應(yīng)用提供理論和仿真實(shí)驗(yàn)依據(jù)。論文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面：
　?。?）利用有效介質(zhì)理論對(duì)左手材料中的負(fù)折射現(xiàn)象進(jìn)行了深入的研究，提出了負(fù)折射是負(fù)

3、相速度的結(jié)果，與平面波的空間調(diào)制有關(guān)，與時(shí)間調(diào)制無(wú)關(guān)。代表時(shí)間調(diào)制特性的單頻率脈沖波前和多頻率干涉波前發(fā)生正折射維持了因果關(guān)系。推導(dǎo)了有損耗介質(zhì)中的后向波條件，即同時(shí)滿(mǎn)足ε′<0、μ′<0和ε′μ"+ε"μ′<0。在各向同性介質(zhì)中，只存在兩種可能情況，即群速度vg平行于波矢k，或vg與k反平行。
　　（2）證明了兩個(gè)半無(wú)限大非磁性均勻介質(zhì)界面上表面波存在的條件，即ε1ε2<0且ε1+ε2<0。若同時(shí)滿(mǎn)足ε2<0和μ2<0，表面波可

4、以既為T(mén)M模式又為T(mén)E模式。證明了改變右手介質(zhì)或左手介質(zhì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以調(diào)制表面波透明窗口的大小，還可以改變TE和TM模式表面波的方向。建立了表面波群速度的理論模型，證明了表面波的波矢與坡印廷矢量可以反平行。仿真驗(yàn)證了通過(guò)設(shè)計(jì)材料參數(shù)可以控制表面波的傳輸方向。對(duì)均勻介質(zhì)平板中的TM模式和TE模式場(chǎng)分布進(jìn)行計(jì)算，得到了TM和TE模式表面波的色散關(guān)系，得到了平板中對(duì)稱(chēng)模式與非對(duì)稱(chēng)模式的場(chǎng)分布，分析了平板參數(shù)對(duì)這兩種模式的影響，計(jì)算了介質(zhì)平板

5、的傳輸系數(shù)與反射系數(shù)，證明了左手介質(zhì)平板為倏逝波提供了一個(gè)放大因子exp(√kx2-ω2c-2d)，給出了平板系統(tǒng)中倏逝波的場(chǎng)強(qiáng)分布。對(duì)于介質(zhì)平板厚度d→+∞的極限情況下倏逝波的衰減系數(shù)進(jìn)行修正。
　　（3）將光子晶體中的負(fù)折射分為三類(lèi)，即有效負(fù)折射率負(fù)折射、全角負(fù)折射，和由于特殊的等頻線(xiàn)形狀引起的負(fù)折射。利用正三角形晶格光子晶體的第二能帶實(shí)現(xiàn)了有效負(fù)折射率負(fù)折射。提出了理論計(jì)算有效參數(shù)的方法，得到了有效折射率、有效介電常數(shù)與有效

6、磁導(dǎo)率與頻率的關(guān)系曲線(xiàn)。分析了有效負(fù)折射率光子晶體平板的成像特性，驗(yàn)證了入射角度對(duì)優(yōu)先取向波導(dǎo)效應(yīng)的影響。利用正方形晶格光子晶體的第一能帶實(shí)現(xiàn)了全角負(fù)折射，證明了全角負(fù)折射光子晶體比有效負(fù)折射率光子晶體更利于實(shí)現(xiàn)超透鏡現(xiàn)象。對(duì)菱形晶格光子晶體的第一、二頻帶進(jìn)行分析，仿真驗(yàn)證了不同頻率的光分別入射到沿Г-T和Г-M的界面方向均可以發(fā)生負(fù)折射現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)界面方向的超棱鏡效應(yīng)。
　?。?）通過(guò)對(duì)半無(wú)限大光子晶體能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，仿真