用超材料操控波导中电磁波的传播

摘要

在过去的数十年中,具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构—超材料,引起了整个光学领域的广泛关注。超材料的出现突破了自然界中现有的介质局限,让人们更加灵活自由地操控电磁波的传播。一般来说,传输和操控电磁波的途径可分为两类:一类是电磁波在开放的自由空间中传播,例如真空;另一类是电磁波在波导系统中的传播。波导作为集成光路的一个重要器件,在光通信,光信息处理,光计算以及光传感等领域有着广泛的应用前景,成为集成光子学领域的研究热点。因此,操控波导系统中的电磁波传播就显得非常重要。
　　本文重点研究了把超材料引入金属平行板波导,操控电磁波在其中的传播特性。具体内容如下:
　　一、用等离激元材料改变电磁波在波导中的电磁特性。
　　把两层具有金属特性的等离激元材料(Plasmonic materials,PMs)附着在波导金属表面时,通过理论分析我们发现:横磁场(Transverse magnetic,TM)波在波导中出现一个带隙,并且这个带隙大小与PMs的厚度有关。通过改变厚度,我们发现一个临界厚度dc:当PMs的厚度大于dc时,带隙大小是固定不变的;然而,当PMs的厚
　　度小于dc时,带隙大小随着PMs的厚度的减小而减小。数值计算结果验证了我们的发现。作为应用,我们利用掺杂的半导体砷化镓(GaAs)设计了一个品质因子很高的太赫兹(THz)滤波器。
　　二、用渐变折射率材料实现电磁波在波导中的不对称传输。
　　通过数值模拟,我们首先揭示了点光源在波导结构中的不对称辐射现象以及其它物理效应;然后,分别从几何光学和波动光学两个角度分析电磁波不对称传输现象背后的物理。借助超界面(Metasurface)和突变相位(Abrupt phase shift)概念,几何光学给出了一个简单直观的解释。然后,通过理论计算波导的色散关系并结合波导模式分析,波动光学为我们提供了更精确的描述。进一步地,我们讨论了不对称波导器件的弱化,这为实验上实现奠定了基础。最后,作为原理性验证,微波实验结果验证了我们的理论分析。由于二维波导结构对电磁波两种偏振横电场(Transverse electric, TE)和TM都表现出很好的不对称传输效果,我们把二维结构拓展到三维波导结构,简单地讨论了电磁波在三维波导结构中的不对称传输效应。
　　三、用近零折射率超材料调控电磁波的全部反射和全部透射。
　　在简单的二维直波导中,通过理论分析和数值模拟验证,我们得到:尽管近零折射率(Epsilon-nearzero,ENZ)超材料的阻抗与自由空间中的阻抗不匹配,但是通过调控嵌入其中的圆柱形介质缺陷的几何尺寸(半径)和材料特性(介电常数),可以实现电磁波在波导中的全部透射和全部反射。进一步地,我们把ENZ超材料中嵌入介质缺陷结构拓展到一般的多端口波导中,并且从理论上给出了电磁波在多端口波导中的反射和透射系数。在此基础上,我们提出了两个波导器件:波导分配器件(Waveguide divider)和波导压缩器件(Waveguide squeezer)。
　　此外,我们发现完美透镜可以实现反镜效应,让两个物体看起来好像只有一个物体。变换光学进一步拓展了这个反镜效应,进而提出了重叠幻觉光学。另一方面,应用变换光学方法设计了超界面,改变光或者电磁波在界面的传播特性。

目录

封面

声明

中文摘要

目录

第一章 序 言

1.1 人工电磁超材料概述

1.2 零折射率超材料及应用

1.3 超界面（Metasurface）

1.4 论文的内容安排

第二章 金属平行板波导

2.1 平行板波导的色散关系

2.2 TE模式和TM模式在波导中的传播特性

第三章 用等离激元材料操控金属波导中的TM波

3.1 表面等离激元

3.2 金属-介质-金属结构的色散关系

3.3 用等离激元材料操控金属波导中的TM模

3.4 本章小结

第四章 不依赖于光偏振的宽频不对称波导

4.1 背景简介

4.2 点光源不对称传输现象

4.3 几何光学解释

4.4 波动理论解释

4.5 弱化结构

4.6 微波实验验证

4.7 三维拓展

4.8 本章小结

第五章 用近零折射率超材料调控电磁波在波导中的传播

5.1 含有介质缺陷的近零折射率超材料的全透射和全反射研究

5.2 拓展：多端口波导的应用

5.3 本章小结

第六章 基于变换光学方法的功能光学器件

6.1 变换光学基本概念

6.2 重叠幻觉光学（Overlapped illusion optics）

6.3 从变换光学角度改写折射定律和反射定律

参考文献

总结与展望

附录

攻读博士学位期间公开发表的论文及科研成果

致谢