非线性左手材料及其填充平板波导的TE波的传输特性

摘要

左手介质是一种具有负的介电常数和负的磁导率的新型人工复合材料。这种材料具有诸如负折射效应、逆多普勒效应、逆切连科夫辐射、完美透镜效应等一系列反常的电磁特性,前苏联物理学家Veselago在1968年首次提出了这么一种假说。但是由于这种奇特的物质一直未在自然界中发现,因而在这之后的很长时间里有关左手材料的研究并未有所发展。直到1990s,随着人工周期性材料的研究进展,不同研究者分别从理论和实验两方面证明了人工左手材料实现的可能性。这种新型人工复合材料的实现拓展了微波、电路以及光学及材料学等领域,在2003年被Science杂志评为十大科技突破之一。
　　 近年来研究者研究左手材料主要集中在对线性左手材料的研究上,即左手材料的介电常数和磁导率与外加电场和磁场无关。Zharov等在2003年首次分析了非线性左手材料的特性,并且指出,入射场的强度比较大时,就要考虑左手材料的非线性特性,他的研究成果激发了研究者对非线性左手材料及其填充平板波导领域研究的浓厚兴趣。
　　 本文以左手材料理论以及平板波导理论为基础,研究了非线性左手材料的理论模型以及填充了非线性左手材料的平板波导中TE波的传输特性,以嵌入非线性克尔介质、由Wires和SRRs构成的传统线环结构左手材料平板波导为主要研究对象,对电磁波在非线性左手材料平板波导中传输的电磁特性的参量进行了仿真与分析。通过解析方法得到了填充了非线性左手材料理想导体平板波导内TE波的电磁场分布,进而得到色散方程,并通过数值计算,给出了该种平板波导中TE波的色散关系曲线。结果表明,当电磁波在此种波导中传播时,其各次模的色散程度随电磁波频率呈线性增大,色散程度也呈线性增加的趋势;而当板间距离相同时,低次模的色散大于高次模的色散,并且电磁波在波导中传播时,其相速度随着板间距离的增大而线性增大。并且,电磁波频率一定时,平板波导的色散程度也随着波导两板间距离的增大而线性增大。