人工微结构材料中电磁波时空特性的调控机理及应用研究

摘要

人工微结构材料是一种人工功能材料,具有自然材料所不具备的电磁特性,且其特性可视具体需求而人为设计。人工微结构材料的出现导致了全新的操控电磁波的技术和方法,大大拓展了传统的电磁学领域。围绕这一国际电磁学领域的研究热点,本文着重研究了人工微结构材料调控电磁波时空特性的机理,并探讨了其潜在的应用前景及实现方式。主要工作概括如下:
　　第一,基于等效介质理论,首次给出了人工微结构材料的等效电磁参数收敛的厚度条件。人工微结构材料的电磁特性可用等效电磁参数来表征。目前常用的提取方法为反解S参数法,但用此方法提取出的等效电磁参数是对应于无限厚/大的人工微结构材料的物质参数,而实际制备的样品都非常薄。这一现象引起了广泛的争议:这样一个无限厚/大介质的等效电磁参数能否用来描述有限厚介质的电磁特性以及什么情况下才适用?本文针对这一争议作了专门讨论,对传统的S参数提取方法进行了适当的改进,与原方法相比,改进后的S参数提取法得到的结果更为精确。进一步研究发现,人工微结构材料至少要有一个入射波波长的厚度,其等效电磁参数才能表征无限厚/大结构的电磁特性。
　　第二,系统研究了二维光子晶体的等效电磁参数,发现在特定的频率段,光子晶体不仅可以等效为双负材料,也可以表现出单负特性。首先,在具有负折射特性的第二导带,对应的等效介电常数εeff和等效磁导率μeff同时为负,且在等效折射率neff=-1的频率点,εeff≠μeff≠-1,这可用来解释光子晶体平板成像效率不高的现象,并且将为光子晶体器件阻抗匹配提供理论依据。其次,在第一禁带,二维光子晶体的等效电磁参数具有单负特性,且εeff和μeff的实部以禁带中心为界,分别由负值过渡到正值和由正值过渡到负值。用时域有限差分法仿真发现,该光子晶体平板可对TE模式的入射光成像,这一现象类似于银板(介电常数为负)对TM模式的入射光表现出的超透镜效应。
　　第三,根据变换光学理论,利用人工微结构材料,实现即插即用的产生涡旋光束的相位器件,且输出光束所携带的轨道角动量可调。我们首先提出一种三维位相变换方法,实现任意两波前间的变换,且实现该变换功能的介质板保持紧凑的平板外形。其次,应用该方法,我们实现了将高斯光束的波前转换成涡旋光束。利用三维时域有限差分法进行了数值仿真,验证了理论方案,场和相位分布的模拟结果,证实了出射光束携带了轨道角动量。最后,通过叠加多块变换器,我们证实了轨道角动量的可调产生。该工作的意义,不仅在于我们找到了一种可调产生轨道角动量光束的方法,更在于揭示了涡旋光束的相位结构和动态演化过程,由此,我们还预言,存在一种二维面变换的方法,能用以产生面光子器件。
　　第四,开展了利用微结构材料的空间色散特性实现空间滤波的实验研究。理论设计了一种基于一维缺陷光子晶体的即插即用的二维低通空间滤波器,其空间截至频率可通过改变光子晶体的周期数进行调谐。利用热蒸发的方法将该样品制备在基底BK7上,实验验证了其低通空间滤波性能。考虑到镀膜工艺的精度误差,在分析时引入随机误差函数之后所得的理论结果和实验结果吻合的非常好,这一分析方法对于设计和制造基于人工微结构材料的器件具有重要意义。
　　第五,探索了人工微结构材料的时域色散特性。根据其色散产生原理的不同,将其分为透射型和反射型两种。分别对以基于渔网结构为代表的透射型色散器件和以基于一维光子晶体的禁带反射特性的反射型色散器件的特性进行了详细分析。研究发现透射型色散器件可提供大的色散,但损耗较大;反射型色散器件损耗几乎为零,但其色散小,这一不足可以通过多次反射来弥补。最后探索了基于反射型的色散器件在压缩啁啾脉冲方面的潜力,为设计啁啾脉冲压缩器提供了新的思路。

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插图索引

第1章 绪 论

1.1选题背景与意义

1.2人工微结构材料简介

1.3人工微结构材料的等效电磁参数

1.4人工微结构材料调控电磁波空间相位研究进展

1.5人工微结构材料调控电磁波时间相位研究进展

1.6论文主要内容及框架

第2章 基本理论

2.1引言

2.2经典的研究方法

2.3 S参数提取法

2.4变换光学简介

2.5小结

第3章 人工微结构材料的等效电磁参数收敛的厚度条件

3.1引言

3.2由S参数提取等效电磁参数

3.3等效电磁参数收敛的厚度

3.4小结

第4章 二维三角格光子晶体的等效电磁参数

4.1引言

4.2导带的等效电磁参数

4.3禁带的等效电磁参数

4.4小结

第5章 基于人工微结构材料的变换平板产生可调轨道角动量的光束

5.1引言

5.2基本原理

5.3数值仿真验证

5.4小结

第6章 含缺陷一维光子晶体低通空间滤波器

6.1引言

6.2波矢选择特性分析

6.3样品制备、实验结果与讨论

6.4小结

第7章 人工微结构材料的时域色散特性研究

7.1引言

7.2基本理论

7.3渔网结构的色散特性

7.4一维光子晶体禁带反射相位的色散特性

7.5小结

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读博士学位期间已发表与待发表的论文

附录B 攻读博士学位期间参与的科研项目