基于單向性效應和變換光學的電磁波調控研究.pdf

1、小型化、集成化是光通信器件和子系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。然而，光子回路中因制備帶來的缺陷所引起的信號反射和散射，嚴重阻礙了光子器件的大規(guī)模集成化。最近國際上開始關注這一問題，并利用時間反演對稱破缺機制設計出信號隔離度高、散射免疫性強的非互易單向波導。但是，這些單向波導表現(xiàn)出結構復雜、制備困難等問題。本論文利用時間反演對稱破缺機制，設計了一類結構簡單的非互易單向波導。同時，對單向電磁模的溫度穩(wěn)定性、散射免疫性、外場可調諧性以及非線性可控性等電磁

2、波單向調控問題進行深入的研究。
　　此外，伴隨著超穎材料技術的發(fā)展，人們還可以實現(xiàn)電磁波的全空間調控：如電磁隱身、電磁黑洞、電磁波分束和耦合等?；诖耍米儞Q光學和超穎材料，本論文還深入研究了電磁超散射、超吸收、外部隱身衣、高定向性天線和電磁“穿墻術”等電磁波全空間調控問題。同時，我們還利用傳輸線人工介質制備了電磁“穿墻術”裝置，并首次實驗驗證了其寬頻特性。
　　本論文的完成受到了教育部科學技術研究重大項目培育基金和國家自

3、然科學基金的資助。具體的研究內容如下：
　　1.基于對稱結構的磁性光子晶體單向波導研究
　　利用時間反演對稱破缺機制，提出了一種新型非互易單向光子晶體波導，研究了單向邊緣模的非互易調控特性。
　　1)設計了對稱結構的非互易單向光子晶體波導，得到了在一對正反向磁場作用下不受散射體影響的單向邊緣模。
　　2)研究了單向邊緣模的時間反演現(xiàn)象：發(fā)現(xiàn)在外磁場方向改變時，系統(tǒng)的邊緣模發(fā)生了時間反演現(xiàn)象。
　　3)討論了

4、非互易單向邊緣模對溫度變化的寬容性，其結果表明溫度在233k-333k之間時，該單向邊緣模幾乎不受溫度變化的影響。
　　2.光子帶間非互易(單向)躍遷的非線性效應研究
　　研究了非線性調制效應對光子帶間非互易單向躍遷行為的影響。非線性兩模方程的數(shù)值計算結果表明：當非線性效應很弱時，只影響光子非互易躍遷的周期，而當非線性效應很強時將發(fā)生部分的非互易躍遷或者不發(fā)生躍遷。
　　3.電磁波全空間調控中的電磁超散射和超吸收研究<

5、br>　　利用變換光學和折疊幾何原理，研究了橢圓、偏心和無規(guī)則的電磁超散射和超吸收，并將電磁超散射應用于兩段分離的波導連接。
　　4.電磁波全空間調控中的外部隱身和高定向性天線研究
　　1)基于變換光學結合補償介質和移動介質，分別設計了兩類外部隱身衣。
　　其共同點是，被隱藏的物體可以看到外界，而外界卻看不到被隱藏的物體。區(qū)別在于，補償介質隱身衣需要“反”物質，而移動介質隱身衣不依賴于“反”物質。
　　2）利用補

6、償介質，設計了可移動的高定向性天線和可旋轉的高定向性天線。同時，基于移動介質，研究了光學重疊效應以及天線信號放大器。
　　5.電磁場分布的全空間調控研究
　　基于嵌入光學變換，研究了二維空間電磁場分布的全空間調控。
　　1)利用嵌入光學變換，研究了點源場分布在二維空間的壓縮和拉伸調控。基于此，本論文設計了兩類材料參數(shù)簡單的層狀無損耗連接器。同時，本論文還首次實驗驗證了二維寬頻電磁“穿墻術”這一奇特的現(xiàn)象。
　　2