基于磁性电磁超表面的电磁波非互易传输

发布时间：2020-04-17 20:12

【摘要】：传统光学器件通常基于光的反射、折射以及衍射,同时改变自身的厚薄程度来改变光程,以实现相位控制。累积光程的多少通常与器件的厚薄程度成正比。所以,传统光学器件自身的尺寸是工作波长的数百倍。因此,设计一种能够灵活调控电磁波的新型超薄平面光学材料具有重要的意义。本文中,我们设计了一个由磁性特异电磁介质构成的超表面结构,通过改变体系的外加磁场和超表面上的梯度可以实现电磁波的非互易传输。第一章,我们介绍了超表面产生的背景和超表面的概念,同时简要介绍了超表面的相关特性和超表面的一些应用。最后,给出了本文的主要研究内容和基本框架。在第二章中,我们介绍了一些关于电磁波非互易传输的历史文献。利用梯度光子晶体可以实现电磁波的非互易传输。利用特异介质和异质结构的特异电磁介质也可以实现电磁波的非互易传输。此外,还简单介绍了一些利用传统材料结构实现电磁波非互易传输的方法。第三章,我们介绍了本文所采用的理论方法。考虑到我们研究的对象是由单晶钇铁石榴石构成的二维圆柱形磁性特异电磁介质,首先我们利用圆柱矢量波函数展开入射波和散射波,然后利用Mie散射理论推导出单个铁氧体柱的散射系数,之后利用多重散射理论,通过计算光子色散曲线和场模式分布得到电磁超表面的散射特性。最后,根据上述理论,我们得到并分析了各种电磁超表面的古斯-汉欣位移情况。在第四章中,我们给出了一个利用磁性电磁超表面实现电磁波的非互易传输的方法。我们从能带结构角度出发分析了非互易现象出现的物理机理。利用电磁超表面的磁响应特性,可以通过改变体系的外加磁场和引入梯度型超表面实现电磁波的非互易传输。由于时间反演对称性破坏,高斯光束从一侧入射出现明显的古斯-汉欣位移,而从对称的另一侧入射古斯-汉欣位移消失。这体现了古斯-汉森位移的非互易特性,这种非互易特性是由磁性特异电磁介质的磁导率张量引起的。最后,我们利用磁性电磁超表面的特性设计了一个单向波导器件。在最后一章中,我们总结了本文的研究成果,并展望了磁性电磁超表面后续的研究工作和应用前景。
【图文】：

示意图,表面结构,示意图

提出的细金属线阵列和开口金属圆环等。到了二十一世纪初，美国加州大学Ｓｍｉｔｈ教逡逑授等人在Ｐｅｎｄｒｙ教授的理论研究基础上将金属线和开口金属圆环按照特定规律排逡逑列在一起，如图１．２所示，首次在实验上实现了磁导率和介电常数同时为负的负折射逡逑现象［７］。逡逑尽管超表面有着和超材料相同的电磁响应特性，但是他们的设计理念却有一定的逡逑差别。首先，在结构特征方面超材料需要通过调整自身结构厚度来改变光束的光程，逡逑而超表面是一个平面结构。另外，超材料运用等效介质理论，将材料看成等效介质计逡逑算出介质中各个位置的等效折射率，从而实现对光波传输的灵活控制。超表面则是根逡逑据惠更斯原理，通过改变光波相位和波前强度来实现光波传播方向和相位的灵活控逡逑２逡逑

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逑ｉｉｉＪｉＪｉ逡逑图１．２由金属线和开口金属圆环组成的负折射材料逡逑制。总体而言，超材料侧重于改变材料自身的厚薄度来实现光束传输的控制，而超表逡逑面则是在亚波长结构下，更侧重于光束相位和波前调控。逡逑１．４超表面的应用逡逑随着科研工作者的深入研究，超表面对电磁波的各种调控能力也变得越来越强。逡逑２０１１年Ｙｕ等人利用结构渐变的Ｖ型天线阵列超表面实现梯度的相位突变Ｍ，，其结逡逑构如图１．３所示。逡逑图１．３邋Ｖ型天线阵列超表面扫描电昁照片逡逑２０１２年，Ｋｕｍａｒ等人设计的ＭＩＭ超表面，能够实现分辨率级别为可见光衍射逡逑极限量级的彩印［８］；同年，Ｓｕｎ等人设计的高阻抗Ｈ型梯度超表面能够实现高效的逡逑３逡逑
【学位授予单位】：浙江师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O441.4

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