基于超材料的新型光學(xué)器件.pdf

1、近些年來(lái)，超材料憑借其特有的物理性質(zhì)而備受關(guān)注，人們利用各式的超材料結(jié)構(gòu)來(lái)達(dá)到操控電磁波傳播的目的，在物理、通信、醫(yī)學(xué)、軍事等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。本文將針對(duì)超材料課題展開(kāi)討論，重點(diǎn)研究了用超材料設(shè)計(jì)完美旋轉(zhuǎn)衣、內(nèi)置空氣的伊頓透鏡和DB電磁邊界等幾種光學(xué)器件，具體內(nèi)容如下：
　　一、微波段、太赫茲頻段和近紅外波段的完美旋轉(zhuǎn)衣的設(shè)計(jì)
　　首先我們分析了由金屬條和空氣復(fù)合而成的各向異性的結(jié)構(gòu)單元，通過(guò)數(shù)值模擬獲得了該周期單元的

2、有效電磁參數(shù)，并用由該周期單元組成的扇形層狀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)衣，但是該旋轉(zhuǎn)衣會(huì)帶來(lái)一些散射。為了消除散射，我們通過(guò)設(shè)定背景和內(nèi)殼區(qū)域?yàn)榻殡姵?shù)為1.4的電介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了微波段寬頻完美旋轉(zhuǎn)衣。接著，我們把完美旋轉(zhuǎn)衣的工作頻段推廣到了太赫茲頻段和近紅外波段，提出了由空氣、二氧化硅以及硅三層介質(zhì)組成的波導(dǎo)模型，并采用在硅層區(qū)域中打孔和挖槽的方法，設(shè)計(jì)了太赫茲頻段和近紅外波段的完美旋轉(zhuǎn)衣，用數(shù)值模擬軟件展示了它們的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。
　　二、用H分形

3、的超材料實(shí)現(xiàn)內(nèi)置空氣的伊頓透鏡
　　首先我們簡(jiǎn)單描述了麥克斯韋魚(yú)眼透鏡、楞勃透鏡以及伊頓透鏡的光學(xué)特性，主要介紹了內(nèi)置空氣的伊頓透鏡的成像功能：它可以使物像位于介質(zhì)的同一側(cè)且都在空氣中。為了實(shí)現(xiàn)該透鏡的折射率分布，我們?cè)O(shè)計(jì)并制備出了一種由 H分形結(jié)構(gòu)的銅絲刻在介質(zhì)板上的樣品。隨后，我們?cè)谖⒉ǘ螠y(cè)量了該樣品的成像特性，從實(shí)驗(yàn)的角度上驗(yàn)證了內(nèi)置空氣的伊頓透鏡的成像功能。
　　三、用SRR和ELC共振結(jié)構(gòu)組成的超材料實(shí)現(xiàn)DB電磁邊

4、界
　　我們對(duì)理想導(dǎo)體邊界和DB邊界的反射特性進(jìn)行了對(duì)比和分析，發(fā)現(xiàn)DB邊界不僅可以發(fā)生全反射，而且還能很好地保持入射波的偏振和相位信息。當(dāng)右旋或者左旋偏振波入射到其界面時(shí)，反射波的手性能夠保持與入射波的一致。隨后，我們?cè)O(shè)計(jì)并制備了由磁共振單元SRR和電共振單元ELC結(jié)構(gòu)組成的超材料，并通過(guò)采用線偏振天線和圓偏振天線做發(fā)射和接收源，我們?cè)诓煌娜肷浣嵌认?，?duì)相應(yīng)的反射系數(shù)和相位進(jìn)行測(cè)量。此外，我們還旋轉(zhuǎn)樣品來(lái)改變波矢的方向，對(duì)其的

5、反射特性進(jìn)行再次測(cè)量。兩次的測(cè)量結(jié)果證明了樣品具有良好的對(duì)稱(chēng)性，且實(shí)驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果與數(shù)值模擬基本吻合。最后我們得出結(jié)論：所設(shè)計(jì)的SRR和ELC相結(jié)合而成的超材料在10GHz下可實(shí)現(xiàn)DB邊界。
　　四、用保角變換的方法設(shè)計(jì)隱身與成像同時(shí)呈現(xiàn)的光學(xué)器件
　　根據(jù)保角變換理論，我們可以通過(guò)Zhukowski變換建立虛擬空間（w空間）和真實(shí)空間（z空間）之間的聯(lián)系，其中在w空間里有兩個(gè)黎曼頁(yè)，它們相交于一條支割線。當(dāng)把麥克斯韋魚(yú)眼透鏡