太赫茲波段多通帶左手材料的數(shù)值研究.pdf

1、左手材料是指介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)值的電磁超材料，具有一些獨(dú)一無(wú)二的電磁性質(zhì)。這些特性使左手材料在“完美透鏡”和“隱身斗篷”上具有不可估量的應(yīng)用價(jià)值。過(guò)去十年，大量左手材料的工作頻率都是在微波波段。最近，研究者正在把工作頻率向太赫茲波段和光波段推進(jìn)。在太赫茲和光波段構(gòu)造低損耗、寬頻段、高維度、易加工的左手材料，提高左手材料的性能，一直是這個(gè)領(lǐng)域的一個(gè)研究重點(diǎn)。本論文正是基于這個(gè)研究重點(diǎn)，致力于尋求性能良好的太赫茲左手材料，提出了一系列

2、的多通帶左手材料的設(shè)計(jì)方案。文中采用數(shù)值模擬的方法，研究左手材料的電磁響應(yīng)特性，并且通過(guò)研究左手材料的內(nèi)部機(jī)理，來(lái)探索實(shí)現(xiàn)性能良好的左手材料的可行性。主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　(1)基于漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)，構(gòu)造一種太赫茲雙通帶左手材料。漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)由于具有制造簡(jiǎn)單和實(shí)驗(yàn)操作容易的優(yōu)點(diǎn)，目前被認(rèn)為是最好的適用于較高頻段左手材料的結(jié)構(gòu)。我們組合兩種不同尺寸的漁網(wǎng)單元構(gòu)造雙漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)左手材料，采用散射參數(shù)反演法計(jì)算了超材料的等效介質(zhì)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)左手通

3、頻帶。接著，利用等效LC電路理論計(jì)算諧振頻率，從理論上分析了其雙通帶左手特性的產(chǎn)生機(jī)制。最后，還詳細(xì)討論了該電磁超材料的損耗，通過(guò)材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，獲得低損耗的雙通帶左手材料。
　　(2)基于工形的分形結(jié)構(gòu)，提出了一種太赫茲波段的多通帶左手材料。該超材料利用分形結(jié)構(gòu)自身的自相似性，在入射太赫茲波作用下一個(gè)結(jié)構(gòu)單元內(nèi)發(fā)生多個(gè)局域共振，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多個(gè)左手通帶。我們討論了垂直入射的電磁波在兩種極化的情況下超材料的多通帶左手特性，并且詳細(xì)分析

4、了多通帶左手特性的產(chǎn)生機(jī)制。最后，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用對(duì)超材料的損耗進(jìn)行討論，計(jì)算出多個(gè)負(fù)折射通帶內(nèi)的品質(zhì)因數(shù)。
　　(3)設(shè)計(jì)了一種具有不對(duì)稱十字架形狀的平面電磁超材料。該超材料在垂直和平行于樣品表面入射的太赫茲波作用下均可產(chǎn)生多通帶左手特性。該設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之處在于：僅僅含有單一的幾何結(jié)構(gòu)的周期單元來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)電磁共振，而不是用包含多個(gè)不同尺寸幾何結(jié)構(gòu)的周期單元來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)電磁共振，這種結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化大大降低了加工制作的難度。這種新穎的不對(duì)稱十字

5、形結(jié)構(gòu)有望在實(shí)現(xiàn)緊湊和寬帶光學(xué)器件方面獲得應(yīng)用。本論文對(duì)兩種入射方式下超材料的電磁響應(yīng)特性和多通帶左手特性進(jìn)行細(xì)致的分析和驗(yàn)證。根據(jù)等效LC電路理論，推導(dǎo)出磁響應(yīng)和電響應(yīng)共振頻率與結(jié)構(gòu)參數(shù)的依賴關(guān)系，從理論上對(duì)該超材料多通帶左手特性的產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行了分析。
　　(4)研究設(shè)計(jì)了一種太赫茲波段三維多通帶左手材料。該材料是基于對(duì)稱的十字架形狀的“金屬-介質(zhì)-金屬”三明治層狀結(jié)構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，降低了超材料對(duì)入射電磁波極化方向的依賴度