對稱與不對稱人工電磁材料介質(zhì)板界面表面電磁波的理論研究.pdf

1、最近，在世界范圍內(nèi)越來越多的科學家把目光轉向了左手材料(Left-Handed Medium，LHM)，也稱為人工電磁材料(meta-materials)。1967年，前蘇聯(lián)科學家Veselago首先提出LHM(即，當平面電磁波在這種材料中傳播的時候，它們的電場矢量、磁場矢量以及波矢量形成左手關系)，其介電常數(shù)和磁導率都是負值，并在理論上預言了其一些非同尋常的現(xiàn)象和特殊的性質(zhì)，例如，反常多普勒(Doppler)頻移、切倫可夫(Chere

2、nkov)輻射的逆轉以及負折射現(xiàn)象等。1996-1999年，Pendry教授等人從理論上巧妙設計了由細金屬線的三維周期結構構成的負介電常數(shù)材料，周期性規(guī)則排列的開口環(huán)型諧振器可構成負磁導率材料。2000和2001年，美國加州大學圣地亞哥(UCSD)分校的Smith教授等人根據(jù)Pendry的理論，把周期性排列的非磁性的開口環(huán)型諧振器和細金屬線陣列結構組合在一起實現(xiàn)了左手材料。由于左手材料的獨特性質(zhì)，因此有廣闊的應用前景。尤其是在光波波段，

3、更會出現(xiàn)許多新的光學效應及革命性的應用。左手材料可以被用來設計新型光電器件、天線和波導，并應用在無線電通訊、光通信、以及醫(yī)學診斷等領域。此外左手材料也可以被應用在高容量存貯裝置，例如DVDs。左手材料還可以成為一個完美成像透鏡，并應用在改進半導體平版印刷技術和近場成像技術。 表面電磁波是指沿兩個介質(zhì)的分界面?zhèn)鞑サ碾姶挪?，并且在偏離分界面時，其振幅隨距離增加按指數(shù)衰減。有時，亦被稱為表面離子體激元(surface plasmon

4、polaritons，SPPs)。SPPs被發(fā)現(xiàn)在次波長光學、數(shù)據(jù)存儲、光的產(chǎn)生、顯微鏡和生物光子學等方面有潛在應用價值。近年來各種各樣不同界面上傳播的表面等離子體激元的性質(zhì)引起了許多科學家的興趣，特別是人工電磁材料界面上的SPPs，會有許多可能的應用價值和意想不到的性質(zhì)。 本論文主要研究由常規(guī)介電材料(Dielectric)、左手材料(LHM)、負介電常數(shù)材料(Negative dielectric permittivity

5、material，NDPM)、以及負磁導率材料(Negative magnetic permeability material，NMPM)組成的對稱和不對稱介質(zhì)板界面表面等離子體激元的性質(zhì)，包括其存在區(qū)域、色散關系曲線和衰減全反射(Attenuated Total Reflection，ATR)光譜。具體分以下幾個部分： 首先，闡述了人工電磁材料的概念，進而詳細介紹其發(fā)展歷史、現(xiàn)狀及應用前景。另外，還介紹了SPPs及其應用。

6、 其次，理論分析由Dielectric、NDPM、NMPM和LHM這些不同材料組成的二層及三層結構界面上表面等離子體激元的存在條件和色散關系。 第三，針對p和s偏振兩種情況，研究在LHM/Dielectric/LHM、NDPM/LHM/NDPM、NMPM/Dielectric/NMPM這三個對稱介質(zhì)板界面上SPPs的存在區(qū)域、色散關系曲線以及ATR光譜。 第四，針對p和s偏振兩種情況，研究在Dielectric/LH

7、M/NDPM、NMPM/LHM/NDPM、Dielectric/LHM/NMPM這三種不對稱介質(zhì)板界面上SPPs的性質(zhì)。發(fā)現(xiàn)可通過改變?nèi)斯る姶挪牧系慕Y構參數(shù)，如電等離子頻率和介質(zhì)板厚度，來影響表面色散曲線枝的數(shù)目和頻率位置，并計算其ATR光譜。在對稱與不對稱人工電磁材料介質(zhì)板界面上SPPs性質(zhì)的研究，也許能夠被應用在高容量存儲裝置和新的濾波器等方面。 第五，針對p和s偏振兩種情況，分別討論由Dielectric、NDPM、NMP