特异介质中磁环偶极子的研究

摘要

经典的电磁多极展开式可以分解为电多极和磁多极两大类，主要包括偶极、四极和八极等等。然而，事实证明，该理论并不完整。于是，在1957年，为了解释原子和核物理中弱相互作用的宇称破缺问题，Zel'dovich教授首次提出了一个新的物理概念:磁环偶极矩(toroidal dipole moment)，这一概念的提出，不仅解决了之前许多电磁学领域难以解释的问题，也使得电磁理论更加完善。磁环偶极矩是电流在一个甜甜圈式的圆环面上沿中线流动而产生的，磁场呈现首尾相接的涡旋分布，极大地增强了近场局域。但是，相较于经典的电磁多极，磁环偶极矩与自由空间的耦合很微弱，致使人们很难观测到它。因此，随着环形特异介质的出现，将磁环偶极矩与特异介质结合起来，抑制经典电磁多极共振的同时极大地增强了磁环偶极共振。近几年，环形特异介质这一有趣的课题吸引了越来越广泛的关注。在本论文中，基于前人研究的基础上，我们进一步深入探讨了磁环偶极矩的光学特性以及其引起的一些新的光学效应，整个思路框架如下:
　　第一章，阐述了研究背景。首先，环形矩的提出、产生机制与光学特性;然后，环形特异介质的提出以及近些年来的发展过程。
　　第二章，简单阐述了相关的理论基础以及计算方法。首先，色散理论:Drude模型和Lorentz模型;其次，电磁场数值分析方法:有限元法和时域有限差分法;电磁仿真软件:CST Microwave Studio和HFSS。
　　第三章，探讨了有孔金属圆盘特异结构中几何参数以及电磁波入射角度对磁环偶极共振的影响，并利用LC电路模型进行分析。
　　第四章，通过磁环偶极共振来操控偶极激发源的远场辐射并探讨了其耦合机制，促进了光与物质相互作用等方面的发展。
　　第五章，将增益材料嵌入到有孔金属圆盘特异结构中，研究增益材料对偶极激发源超辐射强度的影响，在操控光与物质相互作用方面将有所应用。
　　第六章，通过磁环偶极共振与电偶极共振相互耦合，产生了类电磁诱导透明现象;通过调节几何参数，两者的不对称耦合则会产生双带的类电磁诱导透明现象。在传感应用方面，提供了新的实现途径。
　　第七章，为了避免金属的欧姆损耗，提出了具有高介电常数的钽酸锂介质微管，研究几何参数对磁环偶极共振频率、场热点(Hotspot)以及品质因数的影响，并探讨了其产生的物理机制。
　　第八章，提出深度不对称金属圆槽特异结构，实现了电磁波正入射下的磁环偶极共振，讨论了其产生物理机制;着重讨论了由磁环偶极共振引起的场热点和完美吸收光学效应。
　　第九章，全文总结及展望。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 环形矩

1．1．1 环形矩的提出

1．1．2 环形矩的概念以及特征

1．1．3 环形矩的分类

1．2 特异介质

1．2．1 特异介质的提出与性质

1．2．2 特异介质的研究现状和发展趋势

1．3 环形特异介质

1．3．1 环形特异介质的提出

1．3．2 环形特异介质的发展现状

1．4 本论文的主要研究内容

参考文献

第二章 理论基础与计算方法

2．1 色散理论

2．1．2 电介质色散理论-Lorentz模型

2．2 电磁场数值分析方法

2．2．1 有限元法

2．2．2 时域有限差分法

2．3 电磁仿真软件简介

2．3．1 CST

2．3．2 HFSS

2．4 小结

参考文献

第三章 有孔金属圆盘中磁环偶极共振的光学特性

3．1 引言

3．2 模型与模拟方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 磁环偶极共振的产生、验证与表征

3．3．2 几何参数对磁环偶极共振的影响以及利用LC电路模型进行拟合

3．3．3 电磁波入射角度对磁环偶极共振的影响

3．4 小结

参考文献

第四章 磁环偶极共振操控偶极激发源的远场辐射

4．1 引言

4．2 模型与模拟方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 磁环偶极共振诱导的Fano型远场辐射

4．3．2 偶极激发源远场辐射由非辐射到超辐射的转化

4．4 小结

参考文献

第五章 通过增益特异介质来操控偶极激发源的远场辐射

5．1 引言

5．2 模型与模拟方法

5．3 结果与讨论

5．3．1 无增益材料情况下的远场辐射特性

5．3．2 有增益材料情况下的远场辐射特性

5．4 小结

参考文献

第六章 磁环偶极共振诱导的双带透明现象

6．1 引言

6．2 模型与模拟方法

6．3 结果与讨论

6．3．1 磁环偶极共振诱导的共振透明现象

6．3．2 磁环偶极共振诱导的双带透明现象

6．4 小结

参考文献

第七章 太赫兹波段介质微管中的磁环偶极共振

7．1 引言

7．2 模型与模拟方法

7．3 结果与讨论

7．3．1 当钽酸锂介质微管无限长时

7．3．2 当钽酸锂介质微管有限长时

7．4 小结

参考文献

第八章 磁环偶极共振诱导的场热点和完美吸收

8．1 引言

8．2 模型与模拟方法

8．3 结果与讨论

8．3．1 基于磁环偶极共振的场热点效应

8．3．2 基于磁环偶极共振的完美吸收

8．4 小结

参考文献

第九章 全文总结及展望

攻读博士学位期间已发表论文

致谢