人工電磁特異材料的物性研究.pdf

1、我們知道光是一種電磁波，由諧振的電場和磁場組成。當一束可見光通過一個透鏡時，由于光波的波長幾百倍于組成透鏡的原子尺寸大小，原子本身的細節(jié)信息在描述光與透鏡相互作用時已經(jīng)不那么重要，從宏觀的角度而言，原本非均勻離散體系可以認為是均勻連續(xù)的系統(tǒng)，因而對于光波的響應就可以用兩個宏觀的電磁參量來描述：介電常數(shù)ε和磁導率μ。電磁特異材料(Metamaterial)正是基于這種理念提出來的。電磁特異材料是由對電磁場具有特殊響應的人造諧振結構組成，只

2、是原來原子和電子被人造的共振結構單元所代替，但在長波極限條件下，基于有效媒質(zhì)理論同樣可以用兩個宏觀等效的參量來描述：有效介電常數(shù)和有效磁導率。這種材料可以被設計成具有一些自然界中很難或不可能存在的奇異性質(zhì)，而這些性質(zhì)起源于特異材料的亞波長結構細節(jié)，而非材料本身的化學成分。電磁特異介質(zhì)、光子晶體等“結構”材料的發(fā)展大大地拓寬人造波功能介質(zhì)研究領域的范圍。這些介質(zhì)使常規(guī)材料所沒法滿足的Maxwell方程的解得以實現(xiàn)，推動了人們對新穎物理的探

3、索和新材料器件的研究。
　　 特異材料的設計已取得了重大的進展。在第二章中，首先將簡要介紹人們?nèi)绾潍@得具有等效的負介電常數(shù)的電諧振介質(zhì)，接著重點討論人們?nèi)绾卧诓煌ǘ卧O計和實現(xiàn)擁有等效的負磁導率的磁諧振介質(zhì)和雙負電磁特異介質(zhì)，最后將介紹怎么樣通過S參數(shù)(透射系數(shù)和反射系數(shù))來反解體系等效的介電常數(shù)和磁導率。接下來，將分四個章節(jié)具體闡述我們在電磁特異材料領域所做的系列工作。
　　 第三章，我們將建立關于一種電磁特異材料高阻

4、抗表面結構的等效介質(zhì)模型。不管項層頻率選擇表面如何復雜，此類三層結構材料都可以用電磁特異介質(zhì)層加金屬襯墊層的雙層等效介質(zhì)模型來描述。等效介質(zhì)模型關于反射相位性質(zhì)和表面波性質(zhì)的討論與基于真實結構的數(shù)值模擬的完美吻合證明了此模型的有效性。此模型非常有用，為我們后面章節(jié)的工作提供了強有力的理論支持。
　　 第四章，基于電磁特異材料奇特的反射相位性質(zhì)，我們介紹了一種構建亞波長諧振腔的新方法。此方法可以突破傳統(tǒng)諧振腔對腔體厚度的限制。文中

5、以一維和三維諧振腔為例做具體說明。對于一維亞波長諧振腔，其腔體的厚度可以做到只為工作波長的1/12，并且此亞波長諧振腔還可以用來作為天線輻射基板，有很好電磁波輻射定向性。對于三維亞波長諧振腔其中的一個樣品，我們同樣也可以做到其尺寸大小只有工作波長的1/4。微波實驗和數(shù)值模擬結果與理論預言吻合的非常好。
　　 第五章，我們將發(fā)展一套研究各向異性電磁特異介質(zhì)層散射問題的4×4轉(zhuǎn)移矩陣法。首先通過對各個均勻各向異性介質(zhì)層中電磁波的本征

6、行為的討論，得出其中的場分布形式。然后，根據(jù)邊界條件電磁場切向分量守恒，建立不同層之間電磁場相互聯(lián)系的轉(zhuǎn)移矩陣。最后通過此轉(zhuǎn)移矩陣方法，給出求解此類體系的透射譜和反射譜表達式。
　　 基于4×4轉(zhuǎn)移矩陣方法，在第六章中，我們將由簡入深依次討論各向異性電磁特異介質(zhì)界面、單層各向異性電磁特異介質(zhì)板和雙層電磁特異介質(zhì)板，三類電磁特異介質(zhì)體系的散射問題。著重討論電磁波的極化轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。我們發(fā)現(xiàn)雙層特異介質(zhì)板可以用來有效的調(diào)節(jié)電磁波的極化。