环形偶极子超介质的实现与特性研究

发布时间：2019-11-25 12:09

【摘要】：在自然界物质中,除了最基本的两大多极子系统(即电多极子和磁多极子)之外,还存在着一种特殊的电磁激发现象——环形多极子激发。在核物理、粒子物理以及DNA等自然物质的研究中,早已涉及到环形多极子。环形偶极子作为其最基本的成员,具有很多新颖的电磁特性,在设计具有极化偏转、谐振透明等高性能的电磁设备、光学器件中,具有广阔的应用前景。近年来,电磁超介质由于其单元构造的任意性和目的性,使得增强环形偶极子的响应到可观测量级成为可能。因此,通过合理的超介质设计,实现环形偶极子响应,研究其相关特性和应用,具有重要的学术价值和研究意义。本文工作围绕环形偶极子超介质的理论、仿真与实验展开,主要研究内容和创新如下：1. 环形偶极子相关理论研究。推导了包括电多极矩、磁多极矩、电环形多极矩和磁环形多极矩在内的多极矩散射能量公式,建立了超介质的谐振与多极子的复合散射相结合的理论模型；并理论分析了超介质内部微观多极子激发和宏观传输特性之间的关系：研究了立体超介质中多极子耦合(主要是偶极子耦合)对谐振特性的影响。这些相关理论研究为环形偶极子超介质提供了理论依据,对实现环形偶极子具有一定的指导作用。2. 电环形偶极子超介质的实现与特性研究。提出了实现电环形偶极子响应的模型——位于赤道面上的多开缝电流线圈,得出电环形偶极子谐振强度与其开缝的个数有关。首次在微波段(11.2GHz)设计并实验验证了电环形偶极子响应,并通过散射能量计算结果和旋涡形分布电场得到进一步验证。接着,基于多开缝电流线圈模型,提出了一种具有辐条形孔隙的立体电环形偶极子超介质,重点研究了电环形偶极子和磁偶极子相消耦合产生的谐振透明现象,实现了新颖的无辐射结构;研究发现这种新型超介质具有圆极化转换特性,可以在同一频率将入射的左旋圆极化波转换成右旋圆极化波,或者将右旋圆极化波转换为左旋圆极化波,这些研究成果在多极化天线等微波器件中有着潜在的应用价值。3. 磁环形偶极子超介质的实现与特性研究。基于绕着圆环面的螺绕环电流线圈,提出了实现磁环形偶极子响应的模型,推导了该模型中磁偶极矩、磁四极矩和磁环形偶极矩的表达式,给出两种抵消磁偶极矩z分量、提高磁环形偶极子谐振的方法,这对实现磁环形偶极子超介质具有一定的指导意义。接着,设计了简化形式的螺绕环超介质,研究了实现磁环形偶极子的机制,以及超介质的手征性,包括旋光性和圆二色性等。然后提出了电场激励的磁环形偶极子超介质模型,在6.14GHz处观测到磁环形偶极子响应,以及电偶极子和磁环形偶极子相消耦合产生的谐振透明现象,透射率达到98.8%。最后,在纳米圆柱体介质结构中,基于位移电流的米氏谐振,实现了谐振频率位于411.5THz的磁环形偶极子响应,进而证明在介质型超介质中也可以实现磁环形偶极子响应。4. 平面结构的环形偶极子超介质。针对电磁波侧面入射的情况下,立体超介质的结构繁琐、厚度大、存在二次散射等复杂干扰的缺点,提出了两种平面结构的环形偶极子超介质模型。模型一是一个电场激励的平面磁环形偶极子超介质,厚度仅为0.813mm(0.024λ0),着重研究了单元内每个开口谐振环对实现磁环形偶极子响应的影响,并研究了多层结构、基底介质对响应强度的影响等。模型二采用特殊的一体化设计方法,将两种单元结构巧妙地融合在一起,设计了一种平面结构的环形偶极子超介质,厚度仅为2mm(0.019λT,0.078λG)。在垂直入射的平面电磁波情况下,不同的极化方向可以激发出不同的环形偶极子响应——电环形偶极子响应和磁环形偶极子响应,重点研究了偶极子耦合对谐振频率的相对高低以及实现环形偶极子的影响。论文通过设计不同的环形偶极子超介质模型,研究了新颖的电／磁环形偶极子响应,并探讨了环形偶极子超介质的相关电磁特性,为研究新型的环形偶极子超介质奠定了理论和实验基础,并为基于环形偶极子的应用开辟了一条新的途径。
【图文】：

示意图,坐标原点,折射率,介质

环（Ｓｐｌｉｔ邋Ｒｉｎｇ邋Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ，邋ＳＲＲ）逦金属片、金属网格到复杂的弯折线分形结逡逑构１２１１等。其中，最常见的构建电磁超介质的单元结构是截断金属线和开缝金属环，送两种结构逡逑也常被称为人造电＂原子＂和人造磁＂原子＂，如图１．２所示。图（ａ）中，当外加电场沿截断逡逑金属线方向时，在金属线上引起电荷周期性地振动，产生电谐振，此时截断金属线可１＾等价为逡逑一个电偶极子。图（ｂ）为开缝谐振环实现的人造磁＂原子＂，当外加磁场穿过开缝谐振环时，逡逑在开缝谐振环上激励起环形电流，产生磁谐振，可Ｗ等价为一个穿过金属环的磁偶极子；此外，逡逑当外加电场沿着ＳＲＲ环的缝隙方向时，也会激励起环形电流レッ及磁谐振。因此在开缝谐振环上，逡逑其实存在着电谐振和磁谐振的复杂锅合。实际上，除了集总元件形式的１２２１和基于波导的电磁逡逑超介质外，绝大多数超介质是由这两种电／磁＂原子＂基本结构及变形结构组成，通过合理地排逡逑布，通常可Ｗ实现不同的电磁特性。逡逑Ｖ邋Ｚ逦Ｅｌｅｃｔｒｉｃ邋Ｄｉｐｏｌｅ逡逑＼逦ｆｌ邋４！＾逦Ｖ邋之逦Ｍａｅｎｅｌｉｃ邋Ｄｉｐｏｌｅ逡逑ｌｌｌｌ咖四？逡逑似逦似逡逑图１．邋２构成超介质的基本电谐振和磁谐振单元。（ａ）截断金属线及其等效电偶极子示意图

电谐振,磁谐振,单元,开缝

＿＿．逡逑图１．１超介质的ｃ－／／分类，坐标原点处是折射率为零的介质。逡逑电磁超介质的组成单元具有形态各异的结构：从结构简单的截断金属线＂＂、开缝金属谐振逡逑环（Ｓｐｌｉｔ邋Ｒｉｎｇ邋Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ，邋ＳＲＲ）逦金属片、金属网格到复杂的弯折线分形结逡逑构１２１１等。其中，最常见的构建电磁超介质的单元结构是截断金属线和开缝金属环，送两种结构逡逑也常被称为人造电＂原子＂和人造磁＂原子＂，如图１．２所示。图（ａ）中，当外加电场沿截断逡逑金属线方向时，在金属线上引起电荷周期性地振动，，产生电谐振，此时截断金属线可１＾等价为逡逑一个电偶极子。图（ｂ）为开缝谐振环实现的人造磁＂原子＂，当外加磁场穿过开缝谐振环时，逡逑在开缝谐振环上激励起环形电流，产生磁谐振，可Ｗ等价为一个穿过金属环的磁偶极子；此外，逡逑当外加电场沿着ＳＲＲ环的缝隙方向时，也会激励起环形电流レッ及磁谐振。因此在开缝谐振环上，逡逑其实存在着电谐振和磁谐振的复杂锅合。实际上
【学位授予单位】：华中师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O442

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