二维电磁亥姆霍兹腔中的回音壁模式与回射现象
发布时间：2021-07-01 17:55
人工电磁材料在自然界并不存在,可以展现出许多传统材料不具备的奇特性质,受到了科学家们的广泛关注。人工电磁材料在包括空间通信、电磁隐身等越来越多的领域展现出独特的应用潜力。这些应用大多基于它特有的操控光波的能力。本文将基于二维电磁亥姆霍兹腔来设计人工电磁材料并实现对光的操控。基于Mie散射理论,我们研究了完美电导体（PEC）围成的亥姆霍兹腔中的各种电磁模式并设计了具有回射功能的超光栅。首先,我们用严格的双级数方法研究了在二维电磁亥姆霍兹腔内激发的回音壁模式,在给出几种回音壁模式的激发波长的同时,探讨了入射角、亥姆霍兹腔开口大小对回音壁模式的影响。结果发现回音壁模式对入射波长和腔体开口大小的改变非常敏感,但对在一定范围内变化的入射角并不敏感。在此基础上,我们发现亥姆霍兹腔中存在磁对称偶极子模式（MSDM）,并分析了形成该模式的物理机理。基于MSDM,一个由亥姆霍兹腔构成的线性阵列构造的超光栅可以实现电磁波的回射现象。回射现象对构成其的亥姆霍兹腔的取向排布具有很强的鲁棒性,并且可以在较宽的入射波长范围内实现百分之九十以上的回射效率。当腔体内部的空心区域大小不变时,具有有限壁厚的亥姆霍兹腔可以...
【文章来源】：华东师范大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：48 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
根据介电常数ε和磁导率μ的材料分类示意图
华东师范大学硕士学位论文4图1.2一维二维和三维光子晶体的简单例子。图中不同的颜色代表介电常数不同的材料。正是由于光子晶体结构设计的多样性，以及它们具有一些独特的性质，因此对光子晶体的研究在很多方面都取得了丰硕的成果。Yariv设计了一种由高Q值的点缺陷谐振腔组成的新型光学波导[16]。光子晶体还可以通过引入点缺陷来设计高Q值谐振腔[17]。光子晶体的禁带可用来设计高效滤波器[18]。利用光子晶体的可控自发辐射来引导波导发光，制备高效发光二极管[19]。随着对光子晶体研究的进一步深入，光子晶体的应用也越来越多。1.1.2超表面目前，科学家们都希望可以任意操控整个频域内的电磁（EM）波，这不仅是因为好奇，还因为操控电磁波在诸如信息通信，国家防御，安全和传感以及能源利用等众多方面都有广泛的应用。在所有这些应用中，关键的问题是如何基于物理尺寸尽可能使设备或系统小型化。用于控制EM波的常规装置（例如透镜，镜子，偏振器等）由天然存在的介电材料制成。然而，由于这些材料的介电常数变化范围非常有限，因此传统装置通常尺寸较大并且形状是弯曲的。此外，由于天然材料中存在阻抗不匹配问题，传统装置的工作效率通常不会很高。基于以上问题，超表面是一种很好的解决方案。超表面（Metasurfaces）是由亚波长谐振器组成的人工设计的超薄二维材料。在电磁特性方面，相对于天然材料，超表面更具有优势。亚波长厚的超表面能够调控电磁波的波前，这会产生很多有趣的应用，比如负折射[20]、完美透镜[21]、全息图[22]等等。
华东师范大学硕士学位论文5图1.3广义菲涅耳折射定律坐标图由于超表面具有亚波长厚度，所以传统光学中的斯涅耳定律（Snell’slaw）在超表面中并不适用。因为超表面在设计过程中引入了相位的变化，所以边界条件也随之改变。下面给出了广义的斯涅耳折射定律dxdknnoiitt1)sin()sin(dydknottt1)sin()cos(和广义的斯涅耳反射定律dxknoiird1)sin()sin(dydknorrr1)sin()(cos根据以上定律可知，通过调控超表面的相位φ，就可以按照设计者的想法实现对光的操控了。
本文编号：3259599
【文章来源】：华东师范大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：48 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
根据介电常数ε和磁导率μ的材料分类示意图
华东师范大学硕士学位论文4图1.2一维二维和三维光子晶体的简单例子。图中不同的颜色代表介电常数不同的材料。正是由于光子晶体结构设计的多样性，以及它们具有一些独特的性质，因此对光子晶体的研究在很多方面都取得了丰硕的成果。Yariv设计了一种由高Q值的点缺陷谐振腔组成的新型光学波导[16]。光子晶体还可以通过引入点缺陷来设计高Q值谐振腔[17]。光子晶体的禁带可用来设计高效滤波器[18]。利用光子晶体的可控自发辐射来引导波导发光，制备高效发光二极管[19]。随着对光子晶体研究的进一步深入，光子晶体的应用也越来越多。1.1.2超表面目前，科学家们都希望可以任意操控整个频域内的电磁（EM）波，这不仅是因为好奇，还因为操控电磁波在诸如信息通信，国家防御，安全和传感以及能源利用等众多方面都有广泛的应用。在所有这些应用中，关键的问题是如何基于物理尺寸尽可能使设备或系统小型化。用于控制EM波的常规装置（例如透镜，镜子，偏振器等）由天然存在的介电材料制成。然而，由于这些材料的介电常数变化范围非常有限，因此传统装置通常尺寸较大并且形状是弯曲的。此外，由于天然材料中存在阻抗不匹配问题，传统装置的工作效率通常不会很高。基于以上问题，超表面是一种很好的解决方案。超表面（Metasurfaces）是由亚波长谐振器组成的人工设计的超薄二维材料。在电磁特性方面，相对于天然材料，超表面更具有优势。亚波长厚的超表面能够调控电磁波的波前，这会产生很多有趣的应用，比如负折射[20]、完美透镜[21]、全息图[22]等等。
华东师范大学硕士学位论文5图1.3广义菲涅耳折射定律坐标图由于超表面具有亚波长厚度，所以传统光学中的斯涅耳定律（Snell’slaw）在超表面中并不适用。因为超表面在设计过程中引入了相位的变化，所以边界条件也随之改变。下面给出了广义的斯涅耳折射定律dxdknnoiitt1)sin()sin(dydknottt1)sin()cos(和广义的斯涅耳反射定律dxknoiird1)sin()sin(dydknorrr1)sin()(cos根据以上定律可知，通过调控超表面的相位φ，就可以按照设计者的想法实现对光的操控了。
本文编号：3259599
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