基于磁性电磁超构材料的电磁波束的极化分离调控
发布时间：2020-12-09 19:42
电磁超构材料是由亚波长共振单元周期或非周期排列构成的人工复合材料,能够呈现出天然材料不具备的超常电磁特性,可以实现对电磁波的强度、偏振、相位、频率等参量的调控。在二维体系中,麦克斯韦方程组具有两组相互独立的解:即横电模式（Transverse Electric Mode,TE Mode:电场在入射面内）和横磁模式（Transverse Magnetic Mode,TM Mode:磁场在入射面内）。本文中,我们考察的二维体系是由铁氧体磁性柱阵列在空气中周期性排列的单层磁性电磁超构材料,基于该结构实现对入射的TE和TM两种偏振的电磁波束的分离调控,通过改变外加磁场或结构参数可以进一步改变出射光束的方向,为电磁波束的调制提供了多个自由度。主要内容如下:第一章中,主要介绍了光子晶体、电磁超构材料以及磁性电磁超构材料的发展历程、电磁特性和它们在各领域中的现状和应用前景。尤其对于铁磁材料所构建的磁性电磁超构材料,由于其本征的磁性响应和可调特性,使其表现出光子晶体和常规的电磁超构材料所不具备的各种电磁特性和奇异现象;第二章中,介绍了本文采用的物理模型及理论方法:针对无限长单根磁性柱Mie散射理论,之...
【文章来源】：浙江师范大学浙江省
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
二维三角晶格光子晶体能带图示，红色曲线表示横电模式(TE)，蓝色曲线表示横磁模式
第一章绪论61.3电磁超构材料的起源及发展自1968年V.G.Veselago提出电磁参量均为负的负折射材料(negativerefractiveindex)且当电磁波在其内部传输时电场强度E、磁场强度H与波矢量K满足左手螺旋定则而得名为左手材料(left-handedmaterial)---也称后向波材料(backwardwavematerial)、双负材料(doublenegativematerial)等---之后近三十年的时间里由于没有实验上的验证，加之当时正是功能性材料的发展初期，立足于原子、分子层次结构设计与调控的传统材料设计思想在新型功能材料研发中仍有强大的生命力，导致电磁超构材料这一领域无人问津。直到1996年，英国帝国理工学院的J.B.Pendry[59]等人利用周期排布的细金属棒阵列首次在微波频段实现了负的介电常数如图1.3(a)所示。三年后，J.B.Pendry[60]等人又利用周期排列的同心开口金属圆环仍是在微波频段实现了负的磁导率如图1.3(b)所示。这两种单负电磁参量在实验上的实现不但论证了V.G.Veselago的左手材料的可实践性还为后续超构材料的研究提供了策略上的参考。此后，越来越多的科研工作者将研究焦点转移至电磁超构材料领域，2001年，美国加州大学圣迭戈(SanDiego)分校的D.R.Smith[61]等人在实验室将J.B.Pendry等人所提出的周期排布的细金属棒阵和周期排列的同心开口金属圆环结构组合在一起，图1.3(a)负介电常数的周期性排布金属棒[59]；(b)负磁导率的周期性排布金属开口谐振环[60]；(c)实验上首次实现的负折射率磁性电磁超构材料[61]；(d)负折射率磁性超构材料的折射率实验测量值(黑色曲线)、理论模拟值(红色曲线)以及基底媒质的折射率测量值(蓝色曲线)[61]。
第三章单层磁性电磁超构材料的光学特性19为用a=29.0mm约化的电磁波极化分离的三组特殊情况下z方向的场强度示意图，即TE模式画的是磁场强度，TM模式画电场强度。图3.1中(a)、(b)和(c)结构参数为1a=a=29.0mm，1r=6.03mm，对比可知：同一种结构，当TE模式实现负透射时如图3.1(a)，TM模式可以通过调节磁场大小，实现全反射图3.1(b)1200OebH=到负透射图3.1(c)1919OecH=的切换。即可以实现电磁波入射，TE和TM两种模式的电磁波极化分离现象。第二种结构(d)、(e)和(f)参数为2a=a=29.0mm，2r=8.88mm，对比可知：同一种结构，当TE模式实现正透图3.1高斯光束以45°角入射到单层磁性柱时，不同结构和外场下单层磁性电磁超构材料的两种模式的z方向的电磁场强度示意图，其中(a)、(d)和(g)为TE模式的磁场强度示意图，其他为TM模式的电场强度示意图；同一行表示同一种结构，其中(b)的磁场取1200OebH=,(c)为cH=1919Oe；(e)的磁场取655OeeH=,(f)为1000OefH=；(h)的磁场取830OehH=,(i)为1714OeiH=，黑色线条表示磁性柱单链。射时如图3.1(d)，TM模式可以通过调节磁场大小，实现全负透射图3.1(e)655OeeH=到全反射图3.1(f)1000OefH=的切换。即可以实现电磁波入射，TE和TM两种模式的电磁波极化分离现象。对比以上两种结构及所呈现的极化现象可知：TM模式均有负透射现象，而此时晶格常数和工作频率都没有改变，且恰好满足一定数量关系λ=a，TM模式较TE模式多了一个自由度：磁场，结构之间半径的改变可以
本文编号：2907384
【文章来源】：浙江师范大学浙江省
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
二维三角晶格光子晶体能带图示，红色曲线表示横电模式(TE)，蓝色曲线表示横磁模式
第一章绪论61.3电磁超构材料的起源及发展自1968年V.G.Veselago提出电磁参量均为负的负折射材料(negativerefractiveindex)且当电磁波在其内部传输时电场强度E、磁场强度H与波矢量K满足左手螺旋定则而得名为左手材料(left-handedmaterial)---也称后向波材料(backwardwavematerial)、双负材料(doublenegativematerial)等---之后近三十年的时间里由于没有实验上的验证，加之当时正是功能性材料的发展初期，立足于原子、分子层次结构设计与调控的传统材料设计思想在新型功能材料研发中仍有强大的生命力，导致电磁超构材料这一领域无人问津。直到1996年，英国帝国理工学院的J.B.Pendry[59]等人利用周期排布的细金属棒阵列首次在微波频段实现了负的介电常数如图1.3(a)所示。三年后，J.B.Pendry[60]等人又利用周期排列的同心开口金属圆环仍是在微波频段实现了负的磁导率如图1.3(b)所示。这两种单负电磁参量在实验上的实现不但论证了V.G.Veselago的左手材料的可实践性还为后续超构材料的研究提供了策略上的参考。此后，越来越多的科研工作者将研究焦点转移至电磁超构材料领域，2001年，美国加州大学圣迭戈(SanDiego)分校的D.R.Smith[61]等人在实验室将J.B.Pendry等人所提出的周期排布的细金属棒阵和周期排列的同心开口金属圆环结构组合在一起，图1.3(a)负介电常数的周期性排布金属棒[59]；(b)负磁导率的周期性排布金属开口谐振环[60]；(c)实验上首次实现的负折射率磁性电磁超构材料[61]；(d)负折射率磁性超构材料的折射率实验测量值(黑色曲线)、理论模拟值(红色曲线)以及基底媒质的折射率测量值(蓝色曲线)[61]。
第三章单层磁性电磁超构材料的光学特性19为用a=29.0mm约化的电磁波极化分离的三组特殊情况下z方向的场强度示意图，即TE模式画的是磁场强度，TM模式画电场强度。图3.1中(a)、(b)和(c)结构参数为1a=a=29.0mm，1r=6.03mm，对比可知：同一种结构，当TE模式实现负透射时如图3.1(a)，TM模式可以通过调节磁场大小，实现全反射图3.1(b)1200OebH=到负透射图3.1(c)1919OecH=的切换。即可以实现电磁波入射，TE和TM两种模式的电磁波极化分离现象。第二种结构(d)、(e)和(f)参数为2a=a=29.0mm，2r=8.88mm，对比可知：同一种结构，当TE模式实现正透图3.1高斯光束以45°角入射到单层磁性柱时，不同结构和外场下单层磁性电磁超构材料的两种模式的z方向的电磁场强度示意图，其中(a)、(d)和(g)为TE模式的磁场强度示意图，其他为TM模式的电场强度示意图；同一行表示同一种结构，其中(b)的磁场取1200OebH=,(c)为cH=1919Oe；(e)的磁场取655OeeH=,(f)为1000OefH=；(h)的磁场取830OehH=,(i)为1714OeiH=，黑色线条表示磁性柱单链。射时如图3.1(d)，TM模式可以通过调节磁场大小，实现全负透射图3.1(e)655OeeH=到全反射图3.1(f)1000OefH=的切换。即可以实现电磁波入射，TE和TM两种模式的电磁波极化分离现象。对比以上两种结构及所呈现的极化现象可知：TM模式均有负透射现象，而此时晶格常数和工作频率都没有改变，且恰好满足一定数量关系λ=a，TM模式较TE模式多了一个自由度：磁场，结构之间半径的改变可以
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