雙負(fù)材料與單負(fù)材料的線性和非線性響應(yīng).pdf

1、雙負(fù)材料是指介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)的材料。因?yàn)殡姶挪ㄔ谄渲袀鞑r(shí)，電場(chǎng)((E))、磁場(chǎng)((H))和波矢((k))滿足左手螺旋定則，經(jīng)常又被稱為左手材料。近幾年中，對(duì)雙負(fù)材料的特殊性質(zhì)的研究已經(jīng)成為在人工復(fù)合材料研究領(lǐng)域中的熱點(diǎn)。相應(yīng)的，介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為正的材料被稱為右手材料，即電磁波在其中傳播時(shí)，電場(chǎng)((E))、磁場(chǎng)((H))和波矢((k))滿足右手螺旋定則。一般的電介質(zhì)材料都是右手材料。單負(fù)材料，顧名思義，其介電常數(shù)和磁導(dǎo)率中

2、僅有一個(gè)為負(fù)值而另一個(gè)為正值。若磁導(dǎo)率為負(fù)值，介電常數(shù)為正值，此單負(fù)材料稱為磁負(fù)材料；反之，若介電常數(shù)為負(fù)值，磁導(dǎo)率為正值，則此單負(fù)材料稱為電負(fù)材料。由于單負(fù)材料自身的一些特殊性質(zhì)，它們也受到了廣泛的關(guān)注。 本文著重研究了由雙負(fù)材料和單負(fù)材料組成的一維體系的線性性質(zhì)和非線性性質(zhì)。文章主要內(nèi)容為： 一、由單負(fù)材料構(gòu)成的雙層結(jié)構(gòu)與雙負(fù)材料的等價(jià)性研究 我們使用有效媒質(zhì)方法研究了由單負(fù)材料組成的雙層結(jié)構(gòu)的等效物理性質(zhì)。

3、在|klz|dl〈〈l的條件下，我們率先推導(dǎo)出有效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率張量的六個(gè)張量元的解析表達(dá)形式。理論研究表明，這種單負(fù)材料組成的雙層結(jié)構(gòu)可以等效為一塊單軸各向異性材料。而且，在頻率范圍為(4×109rad／s，4．714×109rad／s)的區(qū)間內(nèi)體系可以展現(xiàn)負(fù)折射現(xiàn)象。同時(shí)，我們也詳細(xì)的分析了各頻段上雙層結(jié)構(gòu)的折射性質(zhì)和截止情況。最后，本文研究了雙層結(jié)構(gòu)對(duì)衰減波的放大性質(zhì)以及它激發(fā)的表面等離激元。結(jié)果表明，雙層結(jié)構(gòu)能在界面上激發(fā)表面

4、等離激元，從而很有效的放大衰減波，這進(jìn)一步證明了雙層結(jié)構(gòu)可以等效為雙負(fù)材料的論斷。 二、由各向異性雙負(fù)材料組成的一維光-Z晶體的全方向反射 我們研究了由各向異性雙負(fù)材料和右手材料組成的一維光子晶體的色散關(guān)系、透射性質(zhì)和在m=O帶隙中的全方向反射區(qū)的性質(zhì)。我們首先利用傳輸矩陣方法解析推導(dǎo)出了這個(gè)一維周期性結(jié)構(gòu)的色散關(guān)系，預(yù)測(cè)出m=O帶隙與在各向同性雙負(fù)材料和右手材料組成的一維光子晶體中的萬=0帶隙非常相似。當(dāng)體系的每層材料

5、的厚度發(fā)生放縮或厚度有一定的起伏，它也具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性。我們利用有效媒質(zhì)方法討論了TE波和TM波在各種不同的系數(shù)選取情況下，在m=O帶隙中全反射區(qū)域的邊界，。并且分析了頻譜中不同區(qū)域的截止性質(zhì)。最后，我們預(yù)測(cè)出在這個(gè)由各向異性雙負(fù)材料和右手材料組成的一維光子晶體中，可以產(chǎn)生一個(gè)完全反射區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，任何角度入射的TE波或TM波都不能透過。 三、由單負(fù)材料組成的一維體系的非線性響應(yīng) 本文研究了由單負(fù)材料組成的一維結(jié)構(gòu)

6、(周期性結(jié)構(gòu)和缺陷結(jié)構(gòu))的非線性響應(yīng)性質(zhì)。在周期性結(jié)構(gòu)中，我們將單負(fù)結(jié)構(gòu)中獨(dú)有的Zero一φ帶隙和Bragg帶隙的情況進(jìn)行比較，得到由單負(fù)材料組成的周期性結(jié)構(gòu)所特有的非線性性質(zhì)。通過計(jì)算電磁波的透射系數(shù)、電場(chǎng)分布和相位變化，發(fā)現(xiàn)在Bragg帶隙附近，電磁波的性質(zhì)強(qiáng)烈依賴于入射角度、體系中材料的厚度的放縮和體系的損耗。而相反的在zero一φ帶隙區(qū)域，電磁波特性展示了它很好的穩(wěn)定性。 我們還進(jìn)一步研究由單負(fù)材料組成的對(duì)稱和非對(duì)稱缺陷