人工微結(jié)構(gòu)材料中電磁波時(shí)空特性的調(diào)控機(jī)理及應(yīng)用研究.pdf

1、人工微結(jié)構(gòu)材料是一種人工功能材料,具有自然材料所不具備的電磁特性,且其特性可視具體需求而人為設(shè)計(jì)。人工微結(jié)構(gòu)材料的出現(xiàn)導(dǎo)致了全新的操控電磁波的技術(shù)和方法,大大拓展了傳統(tǒng)的電磁學(xué)領(lǐng)域。圍繞這一國(guó)際電磁學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),本文著重研究了人工微結(jié)構(gòu)材料調(diào)控電磁波時(shí)空特性的機(jī)理,并探討了其潛在的應(yīng)用前景及實(shí)現(xiàn)方式。主要工作概括如下:
　　第一,基于等效介質(zhì)理論,首次給出了人工微結(jié)構(gòu)材料的等效電磁參數(shù)收斂的厚度條件。人工微結(jié)構(gòu)材料的電磁特性可

2、用等效電磁參數(shù)來表征。目前常用的提取方法為反解S參數(shù)法,但用此方法提取出的等效電磁參數(shù)是對(duì)應(yīng)于無(wú)限厚/大的人工微結(jié)構(gòu)材料的物質(zhì)參數(shù),而實(shí)際制備的樣品都非常薄。這一現(xiàn)象引起了廣泛的爭(zhēng)議:這樣一個(gè)無(wú)限厚/大介質(zhì)的等效電磁參數(shù)能否用來描述有限厚介質(zhì)的電磁特性以及什么情況下才適用?本文針對(duì)這一爭(zhēng)議作了專門討論,對(duì)傳統(tǒng)的S參數(shù)提取方法進(jìn)行了適當(dāng)?shù)母倪M(jìn),與原方法相比,改進(jìn)后的S參數(shù)提取法得到的結(jié)果更為精確。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),人工微結(jié)構(gòu)材料至少要有一個(gè)

3、入射波波長(zhǎng)的厚度,其等效電磁參數(shù)才能表征無(wú)限厚/大結(jié)構(gòu)的電磁特性。
　　第二,系統(tǒng)研究了二維光子晶體的等效電磁參數(shù),發(fā)現(xiàn)在特定的頻率段,光子晶體不僅可以等效為雙負(fù)材料,也可以表現(xiàn)出單負(fù)特性。首先,在具有負(fù)折射特性的第二導(dǎo)帶,對(duì)應(yīng)的等效介電常數(shù)εeff和等效磁導(dǎo)率μeff同時(shí)為負(fù),且在等效折射率neff=-1的頻率點(diǎn),εeff≠μeff≠-1,這可用來解釋光子晶體平板成像效率不高的現(xiàn)象,并且將為光子晶體器件阻抗匹配提供理論依據(jù)。其次

4、,在第一禁帶,二維光子晶體的等效電磁參數(shù)具有單負(fù)特性,且εeff和μeff的實(shí)部以禁帶中心為界,分別由負(fù)值過渡到正值和由正值過渡到負(fù)值。用時(shí)域有限差分法仿真發(fā)現(xiàn),該光子晶體平板可對(duì)TE模式的入射光成像,這一現(xiàn)象類似于銀板(介電常數(shù)為負(fù))對(duì)TM模式的入射光表現(xiàn)出的超透鏡效應(yīng)。
　　第三,根據(jù)變換光學(xué)理論,利用人工微結(jié)構(gòu)材料,實(shí)現(xiàn)即插即用的產(chǎn)生渦旋光束的相位器件,且輸出光束所攜帶的軌道角動(dòng)量可調(diào)。我們首先提出一種三維位相變換方法,實(shí)現(xiàn)

5、任意兩波前間的變換,且實(shí)現(xiàn)該變換功能的介質(zhì)板保持緊湊的平板外形。其次,應(yīng)用該方法,我們實(shí)現(xiàn)了將高斯光束的波前轉(zhuǎn)換成渦旋光束。利用三維時(shí)域有限差分法進(jìn)行了數(shù)值仿真,驗(yàn)證了理論方案,場(chǎng)和相位分布的模擬結(jié)果,證實(shí)了出射光束攜帶了軌道角動(dòng)量。最后,通過疊加多塊變換器,我們證實(shí)了軌道角動(dòng)量的可調(diào)產(chǎn)生。該工作的意義,不僅在于我們找到了一種可調(diào)產(chǎn)生軌道角動(dòng)量光束的方法,更在于揭示了渦旋光束的相位結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)演化過程,由此,我們還預(yù)言,存在一種二維面變換

6、的方法,能用以產(chǎn)生面光子器件。
　　第四,開展了利用微結(jié)構(gòu)材料的空間色散特性實(shí)現(xiàn)空間濾波的實(shí)驗(yàn)研究。理論設(shè)計(jì)了一種基于一維缺陷光子晶體的即插即用的二維低通空間濾波器,其空間截至頻率可通過改變光子晶體的周期數(shù)進(jìn)行調(diào)諧。利用熱蒸發(fā)的方法將該樣品制備在基底BK7上,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其低通空間濾波性能?？紤]到鍍膜工藝的精度誤差,在分析時(shí)引入隨機(jī)誤差函數(shù)之后所得的理論結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合的非常好,這一分析方法對(duì)于設(shè)計(jì)和制造基于人工微結(jié)構(gòu)材料的器件具

7、有重要意義。
　　第五,探索了人工微結(jié)構(gòu)材料的時(shí)域色散特性。根據(jù)其色散產(chǎn)生原理的不同,將其分為透射型和反射型兩種。分別對(duì)以基于漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)為代表的透射型色散器件和以基于一維光子晶體的禁帶反射特性的反射型色散器件的特性進(jìn)行了詳細(xì)分析。研究發(fā)現(xiàn)透射型色散器件可提供大的色散,但損耗較大;反射型色散器件損耗幾乎為零,但其色散小,這一不足可以通過多次反射來彌補(bǔ)。最后探索了基于反射型的色散器件在壓縮啁啾脈沖方面的潛力,為設(shè)計(jì)啁啾脈沖壓縮器提供了新