不對(duì)稱特異材料中磁響應(yīng)的光學(xué)特性研究.pdf

1、特異材料(Metamaterials)是一種具有超常性質(zhì)的人工復(fù)合材料，往往能夠通過設(shè)計(jì)的有序結(jié)構(gòu)獲得自然界中沒有的物理現(xiàn)象。Metamaterials這一單詞最早是由德克薩斯州立大學(xué)教授Rodger M.Walser在1999年提出的。由于特異材料的這種獨(dú)特特性，近十年來成為了國際物理界、電磁界、材料界的研究前沿和熱點(diǎn)，其研究內(nèi)容分別于2003年和2006年兩次被Science評(píng)為年度10大科技突破之一，在通信工程、生物工程、醫(yī)學(xué)成像

2、，生物傳感等領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用前景。
　　特異材料一般是由金屬構(gòu)成。眾所周知，當(dāng)電磁波照射在一般金屬上時(shí)，金屬會(huì)反射吸收掉大部分電磁波信號(hào)，使得電磁波不能在其中進(jìn)行傳輸。但是，當(dāng)電磁波照射在金屬特異材料上時(shí)，由于其具有獨(dú)特的亞波長結(jié)構(gòu)，使得電磁波會(huì)在金屬結(jié)構(gòu)上激發(fā)不同的電磁響應(yīng)。而在這些電磁響應(yīng)之間，由于近場效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生一系列耦合，進(jìn)而激發(fā)一些特殊的光學(xué)現(xiàn)象，使得電磁波可以在特異材料中進(jìn)行傳輸，產(chǎn)生諸如類電磁誘導(dǎo)透明（Elect

3、romagnetically induced transparency, EIT）、圓二色性(Circular dichroism)等新奇現(xiàn)象，這種新奇的物理現(xiàn)象對(duì)于研究慢光、濾波、傳感等許多有潛力的應(yīng)用有很大作用。
　　本文首先詳細(xì)闡述了特異材料的等效媒質(zhì)理論、發(fā)展現(xiàn)狀以及前景;其次，介紹了特異材料中一些典型的電磁響應(yīng)的概念、特點(diǎn)及應(yīng)用，例如:表面等離激元、Fano共振、亮模式與暗模式等;最后，以這些特異材料中的電磁響應(yīng)為基礎(chǔ)，

4、設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)的特異材料，通過改變特異材料中單元結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱度，引起電磁響應(yīng)耦合共振模式，對(duì)這些耦合所激發(fā)的超常特性進(jìn)行探索，深入研究不對(duì)稱特異材料(asymmetric metamaterials)中的電磁效應(yīng)在不同波段所產(chǎn)生的一些特殊光學(xué)現(xiàn)象的機(jī)理、特點(diǎn)、應(yīng)用等。這些研究工作基本上都以計(jì)算模擬為主，在基于有限元法的模擬計(jì)算軟件上進(jìn)行計(jì)算。主要內(nèi)容有以下幾點(diǎn):
　　1.設(shè)計(jì)一種U型的微波段金屬開口諧振環(huán)(Split ring re

5、sonator, SRR)結(jié)構(gòu)，改變?nèi)肷潆姶挪ǚ较颍治鲭姶挪▊?cè)入射時(shí)在具有對(duì)稱性的U型SRR特異材料中的電磁響應(yīng)，調(diào)節(jié)適當(dāng)參數(shù)，在微波段實(shí)現(xiàn)類電磁誘導(dǎo)透明(Electromagneticallyinduced transparency, EIT)現(xiàn)象，并對(duì)產(chǎn)生EIT的機(jī)理進(jìn)行物理解釋;
　　2.研究在U型SRR結(jié)構(gòu)的特異材料中，通過引入旋轉(zhuǎn)不對(duì)稱，打破SRR的中心對(duì)稱性，從而在電磁波正入射的條件下引入暗模式，激發(fā)特異材料微波段的

6、類EIT現(xiàn)象，并實(shí)現(xiàn)了通過調(diào)節(jié)特異材料的不對(duì)稱度對(duì)類EIT的大小進(jìn)行調(diào)控。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，制作微波段結(jié)構(gòu)樣品進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證;
　　3.設(shè)計(jì)了一種不對(duì)稱環(huán)盤結(jié)構(gòu)的特異材料，這種環(huán)盤結(jié)構(gòu)可以激發(fā)磁場分布具有環(huán)形特點(diǎn)的環(huán)偶極子(Toroidaldipole)。基于此，我們研究了由這種特殊的環(huán)偶極子作為亮模式，與傳統(tǒng)的磁響應(yīng)暗模式相互耦合，在近紅外波段產(chǎn)生類EIT的現(xiàn)象，并對(duì)產(chǎn)生的電磁響應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的物理解釋;
　　4.探索在能夠激發(fā)類EI