人工電磁特異材料的物性研究.pdf

1、我們知道光是一種電磁波，由諧振的電場(chǎng)和磁場(chǎng)組成。當(dāng)一束可見(jiàn)光通過(guò)一個(gè)透鏡時(shí)，由于光波的波長(zhǎng)幾百倍于組成透鏡的原子尺寸大小，原子本身的細(xì)節(jié)信息在描述光與透鏡相互作用時(shí)已經(jīng)不那么重要，從宏觀的角度而言，原本非均勻離散體系可以認(rèn)為是均勻連續(xù)的系統(tǒng)，因而對(duì)于光波的響應(yīng)就可以用兩個(gè)宏觀的電磁參量來(lái)描述：介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ。電磁特異材料(Metamaterial)正是基于這種理念提出來(lái)的。電磁特異材料是由對(duì)電磁場(chǎng)具有特殊響應(yīng)的人造諧振結(jié)構(gòu)組成，只

2、是原來(lái)原子和電子被人造的共振結(jié)構(gòu)單元所代替，但在長(zhǎng)波極限條件下，基于有效媒質(zhì)理論同樣可以用兩個(gè)宏觀等效的參量來(lái)描述：有效介電常數(shù)和有效磁導(dǎo)率。這種材料可以被設(shè)計(jì)成具有一些自然界中很難或不可能存在的奇異性質(zhì)，而這些性質(zhì)起源于特異材料的亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，而非材料本身的化學(xué)成分。電磁特異介質(zhì)、光子晶體等“結(jié)構(gòu)”材料的發(fā)展大大地拓寬人造波功能介質(zhì)研究領(lǐng)域的范圍。這些介質(zhì)使常規(guī)材料所沒(méi)法滿足的Maxwell方程的解得以實(shí)現(xiàn)，推動(dòng)了人們對(duì)新穎物理的探

3、索和新材料器件的研究。
　　 特異材料的設(shè)計(jì)已取得了重大的進(jìn)展。在第二章中，首先將簡(jiǎn)要介紹人們?nèi)绾潍@得具有等效的負(fù)介電常數(shù)的電諧振介質(zhì)，接著重點(diǎn)討論人們?nèi)绾卧诓煌ǘ卧O(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)擁有等效的負(fù)磁導(dǎo)率的磁諧振介質(zhì)和雙負(fù)電磁特異介質(zhì)，最后將介紹怎么樣通過(guò)S參數(shù)(透射系數(shù)和反射系數(shù))來(lái)反解體系等效的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。接下來(lái)，將分四個(gè)章節(jié)具體闡述我們?cè)陔姶盘禺惒牧项I(lǐng)域所做的系列工作。
　　 第三章，我們將建立關(guān)于一種電磁特異材料高阻

4、抗表面結(jié)構(gòu)的等效介質(zhì)模型。不管項(xiàng)層頻率選擇表面如何復(fù)雜，此類三層結(jié)構(gòu)材料都可以用電磁特異介質(zhì)層加金屬襯墊層的雙層等效介質(zhì)模型來(lái)描述。等效介質(zhì)模型關(guān)于反射相位性質(zhì)和表面波性質(zhì)的討論與基于真實(shí)結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬的完美吻合證明了此模型的有效性。此模型非常有用，為我們后面章節(jié)的工作提供了強(qiáng)有力的理論支持。
　　 第四章，基于電磁特異材料奇特的反射相位性質(zhì)，我們介紹了一種構(gòu)建亞波長(zhǎng)諧振腔的新方法。此方法可以突破傳統(tǒng)諧振腔對(duì)腔體厚度的限制。文中

5、以一維和三維諧振腔為例做具體說(shuō)明。對(duì)于一維亞波長(zhǎng)諧振腔，其腔體的厚度可以做到只為工作波長(zhǎng)的1/12，并且此亞波長(zhǎng)諧振腔還可以用來(lái)作為天線輻射基板，有很好電磁波輻射定向性。對(duì)于三維亞波長(zhǎng)諧振腔其中的一個(gè)樣品，我們同樣也可以做到其尺寸大小只有工作波長(zhǎng)的1/4。微波實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果與理論預(yù)言吻合的非常好。
　　 第五章，我們將發(fā)展一套研究各向異性電磁特異介質(zhì)層散射問(wèn)題的4×4轉(zhuǎn)移矩陣法。首先通過(guò)對(duì)各個(gè)均勻各向異性介質(zhì)層中電磁波的本征

6、行為的討論，得出其中的場(chǎng)分布形式。然后，根據(jù)邊界條件電磁場(chǎng)切向分量守恒，建立不同層之間電磁場(chǎng)相互聯(lián)系的轉(zhuǎn)移矩陣。最后通過(guò)此轉(zhuǎn)移矩陣方法，給出求解此類體系的透射譜和反射譜表達(dá)式。
　　 基于4×4轉(zhuǎn)移矩陣方法，在第六章中，我們將由簡(jiǎn)入深依次討論各向異性電磁特異介質(zhì)界面、單層各向異性電磁特異介質(zhì)板和雙層電磁特異介質(zhì)板，三類電磁特異介質(zhì)體系的散射問(wèn)題。著重討論電磁波的極化轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。我們發(fā)現(xiàn)雙層特異介質(zhì)板可以用來(lái)有效的調(diào)節(jié)電磁波的極化。