光学超构材料：从厄米性到非厄米性
发布时间：2020-07-20 20:34
【摘要】：近年来,超构材料—人工设计的复合材料,凭借其超凡的物理性质,引发了整个波动领域(尤其在光学领域)的研究热潮。由于人工复合结构可以被任意地设计,因此超构材料极大地突破了自然材料的参数限制,使得人们可以更加自由地操控电磁波的传输。一般来说,基于超构材料操控电磁波的方式主要分为两类:一类是通过超构材料的实部参数(无增益和损耗),属于厄米性范畴;另一类是通过超构材料的虚部参数(有增益和损耗),属于非厄米性范畴。本文将针对超构材料的厄米性和非厄米性课题展开讨论,并重点研究厄米性下的渐变折射率超构材料和零折射率超构材料,以及非厄米性下的PT对称超构材料和共轭超构材料,具体内容如下:一、厄米性下渐变折射率超构材料的研究本文首先研究了渐变折射率超构材料引入到金属光栅中的复合结构,并发现该结构中的电磁波衍射行为遵循着一个更一般的折射法则:修改了广义斯涅耳定律的形式。其次,我们将渐变折射率超构材料引入到金属平行板波导中,并利用其中的波导模式转换规律设计了多个波导器件。最后,我们研究了一个镜像化的伦伯透镜,并发现其可以实现回射器功能。同时,我们利用声学渐变折射率超构材料设计并制备了这一器件,并在声学实验中验证其性能,极大地丰富了伦伯透镜的应用。二、厄米性下零折射率超构材料的研究首先,我们揭示了由零折射率超构材料构成的棱镜阵列中的单向传输现象,并利用呈现类狄拉克锥的色散关系的光子晶体具体实现这一结构,发现其具有宽频的单向传输性质。其次,我们研究了具有零折射率超构材料的金属平行板波导中的缺陷性质,发现缺陷中不仅有单极子模式而且还有一些额外的模式。最后,我们研究了由零折射率超构材料构成的圆环共振腔中的不均匀场性质,并发现该共振腔还可以用来操控电磁波辐射。三、非厄米性下PT对称超构材料的研究我们首先将PT对称的概念引入到零折射率超构材料中,并重点研究其在波导中的散射性质。我们发现该PT对称系统具有两个例外点,并支持相干完美吸收和激光模式以及双向完全透射等现象。其次,我们将带有增益/损耗的电介质缺陷嵌入在介电常数近零的超构材料中,并利用这一复合结构设计了PT对称零折射率超构材料。最后,我们将PT对称超构材料和零折射率超构材料相结合,并将它们引入到一个三端口波导系统中,我们发现这样的三端口波导系统可以实现多种不对称现象。四、非厄米性下共轭超构材料的研究我们首先研究了一个纯虚超构材料(一种特殊的共轭超构材料)的平板结构,并发现该结构可以支持相干完美吸收和激光模式(甚至其共存模式)以及完美吸收模式。其次,我们研究了一对纯虚超构材料的平板结构,并发现该结构可以实现双向负折射、平面聚焦和不对称激励等现象。最后,我们将共轭超构材料引入到二维圆柱结构中,并发现该结构可以支持带有角动量入射波的相干完美吸收和激光模式以及其共存模式。
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33
【图文】：
材料的概念最早可以追述到上世纪六十年代前苏联物理学家 Vesel手材料[1]：一种介电常数和磁导率均为负数的材料；Veselago V. G手材料可以实现负折射现象。在 2000 年，Pendry J. B. 基于左手材论上提出了完美成像现象[2]。然而，这种电磁参数均为负数的左材料中实现，因此左手材料的研究一直处于理论探索阶段。与此同（比如，负的介电常数/负的磁导率材料）的实现取得了一些进展. B.等人提出利用金属圆柱周期结构（见图 1.1a）实现了负的介电常来，Pendry J. B.等人利用金属开口圆环结构[4]（Split Ring Resonat现了负的磁导率（ ），见图 1.1b。这两个工作为左手材料的实现000 年，Smith D. R.课题组将这两种结构有机组合设计了一种新的复上验证了负折射现象[5]，见图 1.1c。之后，超构材料的概念逐渐形何尺寸远小于工作波长的人工复合材料[6]。由于这些复合结构可人们可以获得想要的电磁参数，并可以覆盖整个二维参数空间，见
光学[29]；基于坐标变换理论，人们可以获得具体的电磁参数来实现对电磁路径的精确控制，比如，光学隐身衣[30，31]，见图 1.3a。此外，人们基于材料的补偿介质概念，设计了一些奇特的光学器件，比如，超散射体[32]、隐身衣[33]和幻像光学（见图 1.3b）[34，35]等。另外，凭借准静态电磁场点，零折射率超构材料可以用来实现许多的光学效应[36-38]，比如，波导隧见图 1.3c）[39]、几何不变性共振腔[40]等。上述情况中的超构材料还是属构，具有一定的厚度。最近，作为超构材料的二维形式，亚波长厚度的超构了极大的研究热潮[41-43]。人们通过对超构表面结构中的微结构单元的几何设计（形状、尺寸以及位向角等），使得周期单元具有2 相位变化。通过对结构单元进行特定设计，许多新颖的光学现象被相继实现，例如，光的自旋[44]、光学成像[45]、光学偏振控制[46]以及表面波耦合（见图 1.3d）[47]。类型的厄米性超构材料也可以用来操控电磁波传输[48-50]，由于篇幅所限，举。
导致能量本征值是一个复数。类似地，当增益和损耗引入到超构材料中学系统将成为一个非厄米性的系统。在非厄米性光学系统中，基于超构材料操波的方式大致可以分为以下几类：损耗系统、PT 对称性、空间 Kramers Kroni以及共轭超构材料等。在一个单纯的损耗系统中，超构材料中的损耗可以引发奇的光学现象，例如，全向的能流弯曲（见图 1.4a）[51]、增强的透射[52，5对称传输[54]以及相干完美吸收[55,56]等。此外，一个增益和损耗平衡的 PT 统可以实现对电磁波更多形式的操控，比如，单向无反射现象[57,58]、相干完收-激光模式[59,60]、单向隐身[61]（见图 1.4b）、布鲁赫振动[62,63]和非线性4,65]等。另外，通过构建空间 Kramers Kronig 关系[66]（见图 1.4c），一些奇磁波传播效应被发现[67-69]，比如，全角度的单向吸收[70]。最近，将增益和时引入到一个均匀介质中[71]（见图 1.4d），共轭超构材料引起了一些研究兴趣们发现共轭超构材料可以实现亚波长成像透镜[71]、支持无衰减的传播形式[72相干完美吸收-激光模式[74，75]等。
本文编号：2763916
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33
【图文】：
材料的概念最早可以追述到上世纪六十年代前苏联物理学家 Vesel手材料[1]：一种介电常数和磁导率均为负数的材料；Veselago V. G手材料可以实现负折射现象。在 2000 年，Pendry J. B. 基于左手材论上提出了完美成像现象[2]。然而，这种电磁参数均为负数的左材料中实现，因此左手材料的研究一直处于理论探索阶段。与此同（比如，负的介电常数/负的磁导率材料）的实现取得了一些进展. B.等人提出利用金属圆柱周期结构（见图 1.1a）实现了负的介电常来，Pendry J. B.等人利用金属开口圆环结构[4]（Split Ring Resonat现了负的磁导率（ ），见图 1.1b。这两个工作为左手材料的实现000 年，Smith D. R.课题组将这两种结构有机组合设计了一种新的复上验证了负折射现象[5]，见图 1.1c。之后，超构材料的概念逐渐形何尺寸远小于工作波长的人工复合材料[6]。由于这些复合结构可人们可以获得想要的电磁参数，并可以覆盖整个二维参数空间，见
光学[29]；基于坐标变换理论，人们可以获得具体的电磁参数来实现对电磁路径的精确控制，比如，光学隐身衣[30，31]，见图 1.3a。此外，人们基于材料的补偿介质概念，设计了一些奇特的光学器件，比如，超散射体[32]、隐身衣[33]和幻像光学（见图 1.3b）[34，35]等。另外，凭借准静态电磁场点，零折射率超构材料可以用来实现许多的光学效应[36-38]，比如，波导隧见图 1.3c）[39]、几何不变性共振腔[40]等。上述情况中的超构材料还是属构，具有一定的厚度。最近，作为超构材料的二维形式，亚波长厚度的超构了极大的研究热潮[41-43]。人们通过对超构表面结构中的微结构单元的几何设计（形状、尺寸以及位向角等），使得周期单元具有2 相位变化。通过对结构单元进行特定设计，许多新颖的光学现象被相继实现，例如，光的自旋[44]、光学成像[45]、光学偏振控制[46]以及表面波耦合（见图 1.3d）[47]。类型的厄米性超构材料也可以用来操控电磁波传输[48-50]，由于篇幅所限，举。
导致能量本征值是一个复数。类似地，当增益和损耗引入到超构材料中学系统将成为一个非厄米性的系统。在非厄米性光学系统中，基于超构材料操波的方式大致可以分为以下几类：损耗系统、PT 对称性、空间 Kramers Kroni以及共轭超构材料等。在一个单纯的损耗系统中，超构材料中的损耗可以引发奇的光学现象，例如，全向的能流弯曲（见图 1.4a）[51]、增强的透射[52，5对称传输[54]以及相干完美吸收[55,56]等。此外，一个增益和损耗平衡的 PT 统可以实现对电磁波更多形式的操控，比如，单向无反射现象[57,58]、相干完收-激光模式[59,60]、单向隐身[61]（见图 1.4b）、布鲁赫振动[62,63]和非线性4,65]等。另外，通过构建空间 Kramers Kronig 关系[66]（见图 1.4c），一些奇磁波传播效应被发现[67-69]，比如，全角度的单向吸收[70]。最近，将增益和时引入到一个均匀介质中[71]（见图 1.4d），共轭超构材料引起了一些研究兴趣们发现共轭超构材料可以实现亚波长成像透镜[71]、支持无衰减的传播形式[72相干完美吸收-激光模式[74，75]等。
本文编号：2763916
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