【摘要】：近年來,超構(gòu)材料—人工設(shè)計的復(fù)合材料,憑借其超凡的物理性質(zhì),引發(fā)了整個波動領(lǐng)域(尤其在光學(xué)領(lǐng)域)的研究熱潮。由于人工復(fù)合結(jié)構(gòu)可以被任意地設(shè)計,因此超構(gòu)材料極大地突破了自然材料的參數(shù)限制,使得人們可以更加自由地操控電磁波的傳輸。一般來說,基于超構(gòu)材料操控電磁波的方式主要分為兩類:一類是通過超構(gòu)材料的實部參數(shù)(無增益和損耗),屬于厄米性范疇;另一類是通過超構(gòu)材料的虛部參數(shù)(有增益和損耗),屬于非厄米性范疇。本文將針對超構(gòu)材料的厄米性和非厄米性課題展開討論,并重點研究厄米性下的漸變折射率超構(gòu)材料和零折射率超構(gòu)材料,以及非厄米性下的PT對稱超構(gòu)材料和共軛超構(gòu)材料,具體內(nèi)容如下:一、厄米性下漸變折射率超構(gòu)材料的研究本文首先研究了漸變折射率超構(gòu)材料引入到金屬光柵中的復(fù)合結(jié)構(gòu),并發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)中的電磁波衍射行為遵循著一個更一般的折射法則:修改了廣義斯涅耳定律的形式。其次,我們將漸變折射率超構(gòu)材料引入到金屬平行板波導(dǎo)中,并利用其中的波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換規(guī)律設(shè)計了多個波導(dǎo)器件。最后,我們研究了一個鏡像化的倫伯透鏡,并發(fā)現(xiàn)其可以實現(xiàn)回射器功能。同時,我們利用聲學(xué)漸變折射率超構(gòu)材料設(shè)計并制備了這一器件,并在聲學(xué)實驗中驗證其性能,極大地豐富了倫伯透鏡的應(yīng)用。二、厄米性下零折射率超構(gòu)材料的研究首先,我們揭示了由零折射率超構(gòu)材料構(gòu)成的棱鏡陣列中的單向傳輸現(xiàn)象,并利用呈現(xiàn)類狄拉克錐的色散關(guān)系的光子晶體具體實現(xiàn)這一結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)其具有寬頻的單向傳輸性質(zhì)。其次,我們研究了具有零折射率超構(gòu)材料的金屬平行板波導(dǎo)中的缺陷性質(zhì),發(fā)現(xiàn)缺陷中不僅有單極子模式而且還有一些額外的模式。最后,我們研究了由零折射率超構(gòu)材料構(gòu)成的圓環(huán)共振腔中的不均勻場性質(zhì),并發(fā)現(xiàn)該共振腔還可以用來操控電磁波輻射。三、非厄米性下PT對稱超構(gòu)材料的研究我們首先將PT對稱的概念引入到零折射率超構(gòu)材料中,并重點研究其在波導(dǎo)中的散射性質(zhì)。我們發(fā)現(xiàn)該PT對稱系統(tǒng)具有兩個例外點,并支持相干完美吸收和激光模式以及雙向完全透射等現(xiàn)象。其次,我們將帶有增益/損耗的電介質(zhì)缺陷嵌入在介電常數(shù)近零的超構(gòu)材料中,并利用這一復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計了PT對稱零折射率超構(gòu)材料。最后,我們將PT對稱超構(gòu)材料和零折射率超構(gòu)材料相結(jié)合,并將它們引入到一個三端口波導(dǎo)系統(tǒng)中,我們發(fā)現(xiàn)這樣的三端口波導(dǎo)系統(tǒng)可以實現(xiàn)多種不對稱現(xiàn)象。四、非厄米性下共軛超構(gòu)材料的研究我們首先研究了一個純虛超構(gòu)材料(一種特殊的共軛超構(gòu)材料)的平板結(jié)構(gòu),并發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)可以支持相干完美吸收和激光模式(甚至其共存模式)以及完美吸收模式。其次,我們研究了一對純虛超構(gòu)材料的平板結(jié)構(gòu),并發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)雙向負折射、平面聚焦和不對稱激勵等現(xiàn)象。最后,我們將共軛超構(gòu)材料引入到二維圓柱結(jié)構(gòu)中,并發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)可以支持帶有角動量入射波的相干完美吸收和激光模式以及其共存模式。
【學(xué)位授予單位】：蘇州大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB33
【圖文】：

材料的概念最早可以追述到上世紀六十年代前蘇聯(lián)物理學(xué)家 Vesel手材料[1]：一種介電常數(shù)和磁導(dǎo)率均為負數(shù)的材料；Veselago V. G手材料可以實現(xiàn)負折射現(xiàn)象。在 2000 年，Pendry J. B. 基于左手材論上提出了完美成像現(xiàn)象[2]。然而，這種電磁參數(shù)均為負數(shù)的左材料中實現(xiàn)，因此左手材料的研究一直處于理論探索階段。與此同（比如，負的介電常數(shù)/負的磁導(dǎo)率材料）的實現(xiàn)取得了一些進展. B.等人提出利用金屬圓柱周期結(jié)構(gòu)（見圖 1.1a）實現(xiàn)了負的介電常來，Pendry J. B.等人利用金屬開口圓環(huán)結(jié)構(gòu)[4]（Split Ring Resonat現(xiàn)了負的磁導(dǎo)率（ ），見圖 1.1b。這兩個工作為左手材料的實現(xiàn)000 年，Smith D. R.課題組將這兩種結(jié)構(gòu)有機組合設(shè)計了一種新的復(fù)上驗證了負折射現(xiàn)象[5]，見圖 1.1c。之后，超構(gòu)材料的概念逐漸形何尺寸遠小于工作波長的人工復(fù)合材料[6]。由于這些復(fù)合結(jié)構(gòu)可人們可以獲得想要的電磁參數(shù)，并可以覆蓋整個二維參數(shù)空間，見

光學(xué)[29]；基于坐標變換理論，人們可以獲得具體的電磁參數(shù)來實現(xiàn)對電磁路徑的精確控制，比如，光學(xué)隱身衣[30，31]，見圖 1.3a。此外，人們基于材料的補償介質(zhì)概念，設(shè)計了一些奇特的光學(xué)器件，比如，超散射體[32]、隱身衣[33]和幻像光學(xué)（見圖 1.3b）[34，35]等。另外，憑借準靜態(tài)電磁場點，零折射率超構(gòu)材料可以用來實現(xiàn)許多的光學(xué)效應(yīng)[36-38]，比如，波導(dǎo)隧見圖 1.3c）[39]、幾何不變性共振腔[40]等。上述情況中的超構(gòu)材料還是屬構(gòu)，具有一定的厚度。最近，作為超構(gòu)材料的二維形式，亞波長厚度的超構(gòu)了極大的研究熱潮[41-43]。人們通過對超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)中的微結(jié)構(gòu)單元的幾何設(shè)計（形狀、尺寸以及位向角等），使得周期單元具有2 相位變化。通過對結(jié)構(gòu)單元進行特定設(shè)計，許多新穎的光學(xué)現(xiàn)象被相繼實現(xiàn)，例如，光的自旋[44]、光學(xué)成像[45]、光學(xué)偏振控制[46]以及表面波耦合（見圖 1.3d）[47]。類型的厄米性超構(gòu)材料也可以用來操控電磁波傳輸[48-50]，由于篇幅所限，舉。

導(dǎo)致能量本征值是一個復(fù)數(shù)。類似地，當增益和損耗引入到超構(gòu)材料中學(xué)系統(tǒng)將成為一個非厄米性的系統(tǒng)。在非厄米性光學(xué)系統(tǒng)中，基于超構(gòu)材料操波的方式大致可以分為以下幾類：損耗系統(tǒng)、PT 對稱性、空間 Kramers Kroni以及共軛超構(gòu)材料等。在一個單純的損耗系統(tǒng)中，超構(gòu)材料中的損耗可以引發(fā)奇的光學(xué)現(xiàn)象，例如，全向的能流彎曲（見圖 1.4a）[51]、增強的透射[52，5對稱傳輸[54]以及相干完美吸收[55,56]等。此外，一個增益和損耗平衡的 PT 統(tǒng)可以實現(xiàn)對電磁波更多形式的操控，比如，單向無反射現(xiàn)象[57,58]、相干完收-激光模式[59,60]、單向隱身[61]（見圖 1.4b）、布魯赫振動[62,63]和非線性4,65]等。另外，通過構(gòu)建空間 Kramers Kronig 關(guān)系[66]（見圖 1.4c），一些奇磁波傳播效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)[67-69]，比如，全角度的單向吸收[70]。最近，將增益和時引入到一個均勻介質(zhì)中[71]（見圖 1.4d），共軛超構(gòu)材料引起了一些研究興趣們發(fā)現(xiàn)共軛超構(gòu)材料可以實現(xiàn)亞波長成像透鏡[71]、支持無衰減的傳播形式[72相干完美吸收-激光模式[74，75]等。

本文編號：2763916