利用零折射率光子晶体和材料实现对电磁波的操控

发布时间：2020-06-18 21:57

【摘要】：零折射率材料是折射率为零的一类特殊电磁材料。具有无穷大的波长,均匀场效应,隧穿效应,波前面调控效应等特殊性质,在隐身、吸收、控制电磁波流等方面具有广泛应用。其中具有狄拉克色散的介质光子晶体,在狄拉克点频率处的有效介电常数和有效磁导率均为零,是实现双零零折射率材料的一种非常便利的方式。本文第一章首先介绍了零折射率材料的分类,以及一些特殊的性质。我们详细介绍了调控光子晶体能带实现零折射率的方法,这也是本项工作的材料基础。然后简单介绍了本项工作的实验基础,即微波扫场的实验平台。最后对本文的主要工作进行简述。第二章中,我们结合零折射率材料和超表面来实现透射式隐身。结合零折射率材料对电磁能流的调控能力和对电磁波相位的保持,以及超表面对入射/出射电磁波相位的调控,我们成功利用双零零折射率光子晶体在实验上实现了透射式隐身。这一全新的设计思想,既避免了变换光学包裹式隐身对材料不均匀分布的依赖,又潜在性可以大大缩小隐身器件的尺寸,具有很高的应用前景。在第三章中,我们将零折射率材料引入到相干完美吸收当中,通过在零折射率材料中嵌入带有吸收的缺陷,实现了对电磁波的相干完美吸收。这种新类型的相干完美吸收打破了传统相干完美吸收双端口相对入射的限制,甚至可以实现单端口的相干完美吸收。同时,这种新类型的相干完美吸收机制也提供了更多的自由度来实现吸收率的自由调控。我们的微波实验和理论预测符合的很好,为相干完美吸收的推广做出了贡献。第四章我们讨论了ε_⊥（垂直于光轴的相对介电常数)为零的单轴晶体与各向同性介质的界面上D’yakonov表面波的传播条件。结果发现,当ε_⊥趋于零时,D’yakonov表面波存在并传播的角度范围并没有如预想的得到提升。但我们的理论计算结果也发现,通过材料参数的优化,我们可以大大提升D’yakonov表面波的传播角度范围。为D’yakonov表面波的应用打下了基础。最后一章总结了本文的主要工作,并讨论了进一步的研究方向。
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O734
【图文】：

示意图,隧穿效应,波导,折射率

√ （和分别表示相对介电常数和相对磁导率），零折射率材料可以分为双零零折射率材料和单零零折射率材料，单零零折射率材料又可以进一步划分为相对介电常数为零的零折射率材料和相对磁导率为零的零折射率材料；再如依据材料特性零折射率材料可以区分为各向同性的零折射率材料和各向异性的零折射率材料。此外，折射率足够接近于零的近零材料具有与零折射率材料相似的物理性质，因此在很多方面可以被用来代替零折射率材料。由于电磁波在 ZIM 中具有无穷大的波长，ZIM 中有限大小的散射体对于电磁波几乎是不可见的，因此电磁波能够通过散射体之间极其狭窄的缝隙，这种现象称之为电磁波在 ZIM 中的隧穿效应[ ]，最早由 Silveirinha 等人于年提出。如图（a）所示，电磁波从波导的区域入射，从区域出射，两个区域中间有一段充满了介电常数趋于零的 ZIM 的不规则狭窄波导，由于 ZIM 的隧穿效应，近乎所有的电磁波都

分布图,波前面,电磁波,凹形

利用零折射率光子晶体和材料实现对电磁波的操控第一章绪论是说，除了正入射，其它角度入射的电磁波都会发生全反射。借助于 ZIM 的全反射特性，Schwartz 等人通过两块 ZIM 将电磁波束缚在空气狭缝中传播，从而形成波导[ ]。如果波源是在 ZIM 中，即电磁波由 ZIM 进入空气，由菲涅尔公式可知，无论入射角取值如何，折射角都等于零，也就是说出射波的波矢垂直于 ZIM 的出射面。基于这一特性，Enoch 等人提出了 ZIM 的高指向性辐射[ ]，即埋在 ZIM 中的源辐射的电磁波具有很好的方向性。此外，如果让空气中的平面电磁波经过 ZIM 的一侧平直表面进入其中，然后再让电磁波从 ZIM 的另一侧不规则表面出射，则可以通过设计不同的出射面来实现对出射波波前面的任意调控[ ]。图（a）和（b）分别为 Alu 等人模拟的磁场振幅和相位的分布图[ ]，其中 ZIM 为介电常数趋于零的单零

【相似文献】