零折射率超材料中电磁波的传播

摘要

人工电磁超材料以其介电常数和磁导率可以设计为任意值的特点展现出了许多传统材料没有的独特的电磁特性，成为目前多个领域研究和开发工作的重点。而作为超材料的一种，折射率近零的超材料也日益受到广泛的关注。因为其折射率近零，导致电磁波在其中传播时相速度无限大，几乎不会引起电磁波的相位变化，这一特点使得零折射率超材料具备了很多非凡的物理性能，在定制波阵面、创建亚波长通道、调控缺陷控制电磁波传播、构建光学纳米电路以及制造近乎完美的弯曲波导等很多方面得到了广泛的应用。因此研究电磁波在零折射率超材料中的传播情况非常有必要。
　　本论文重点研究了带有缺陷的零折射率超材料的电磁特性，然后分析了折射率在正值、零和负值间可调的超材料的设计思路。具体内容如下：
　　一、带布拉格光纤状缺陷的零折射率超材料或近零介电常数超材料实现物体隐身和Fano共振
　　将布拉格光纤结构的介电缺陷分别引入到零折射率超材料和近零介电常数超材料中去，经过理论分析和数值模拟，所构成的超材料可以用来实现一维隐身效果，对于波长位于带隙范围中的电磁波而言，布拉格光纤结构其性能就如同完美电导体或完美磁导体一样，可以完全阻止电磁波穿透进入内部核层结构，所以此时若在介质核内部放置任意物体，都不会导致电磁波的透射情况发生变形。另外在透射光谱中也观察到了在全反射和全透射之间变化的窄Fano线型和宽Fano线型，这两者分别对应核共振和布拉格光纤结构的共振。通过数值推导，我们得出了该结构发生全反射和全透射的条件。
　　二、近零介电常数超材料模拟完美磁导体
　　当在近零介电常数（Epsilon-near-zero metamaterials，ENZ）的材料中引入任意形状的介电缺陷时，其对于恒磁场（磁场H?只沿着z方向）TM模式的电磁波入射可以呈现出等效的完美磁导体（Perfect magnetic conductor，PMC）的效果。这是因为通过调控介质缺陷的材料参数，当缺陷中发生磁共振时，其共振节点会落在缺陷的边界上，而缺陷外的ENZ材料可以将这种零磁场的模式传输到结构的外部边界上，从而使得结构整体体现出PMC的特点。通过对比散射、全反射和完美吸收的效果，我们发现此结构呈现出良好的性能。同时，结构中无论使用各向同性或者各向异性或者带吸收的零介电常数材料，都能呈现出相同的特点。因此我们的研究结果提供了一种很实际并很灵活的方式来实现从微波段到红外和可见光波段等效的PMC效果。
　　三、负值-零-正值间可调折射率的实现
　　通过分析球形颗粒掺杂的复合体系发生电共振和磁共振的条件，确定了复合体系要得到负介电常数和负磁导率所需要选择的材料，并通过理论计算给出了当复合体系的基质液晶材料的介电常数发生变化时，两种球颗粒掺杂的液晶复合材料其折射率呈现的从负值经过零到正值的调节过程，证明了我们所分析的三组分复合体系在同一波段区间实现了从负折射率材料-零折射率材料-正折射率材料的过渡。

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第一章 绪论

1.1 人工电磁超材料的研究概况

1.2 负折射率超材料及应用

1.3 零折射率超材料及应用

1.4 折射率可调的超材料

1.5 本课题的工作

参考文献

第二章 多层结构中电磁波的传播

2.1多壳层圆柱形结构电磁场表达式中系数的推导

2.2 传输矩阵法计算一维周期性结构的色散关系

参考文献

第三章 带缺陷的零折射率超材料实现物体隐身和Fano共振

3.1 前言

3.2 理论分析

3.3数值模拟验证

3.4 本章小结

参考文献

第四章 近零介电常数超材料模拟完美磁导体

4.1 人工完美磁导体的研究概况

4.2用近零介电常数超材料模拟完美磁导体

4.3 数值模拟验证

4.4 EPMC的应用

4.5 本章小结

参考文献

第五章 负值-零-正值间可调折射率的实现

5.1 前言

5.2 液晶特性简介

5.3球形颗粒掺杂的超材料的折射率计算

5.4数值计算结果

5.5 本章小结

参考文献

第六章 总结和展望

攻读博士学位期间公开发表的论文及科研成果

致谢