電磁超構(gòu)材料是由亞波長共振單元周期或非周期排列構(gòu)成的人工復(fù)合材料,能夠呈現(xiàn)出天然材料不具備的超常電磁特性,可以實現(xiàn)對電磁波的強度、偏振、相位、頻率等參量的調(diào)控。在二維體系中,麥克斯韋方程組具有兩組相互獨立的解:即橫電模式（Transverse Electric Mode,TE Mode:電場在入射面內(nèi)）和橫磁模式（Transverse Magnetic Mode,TM Mode:磁場在入射面內(nèi)）。本文中,我們考察的二維體系是由鐵氧體磁性柱陣列在空氣中周期性排列的單層磁性電磁超構(gòu)材料,基于該結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對入射的TE和TM兩種偏振的電磁波束的分離調(diào)控,通過改變外加磁場或結(jié)構(gòu)參數(shù)可以進一步改變出射光束的方向,為電磁波束的調(diào)制提供了多個自由度。主要內(nèi)容如下:第一章中,主要介紹了光子晶體、電磁超構(gòu)材料以及磁性電磁超構(gòu)材料的發(fā)展歷程、電磁特性和它們在各領(lǐng)域中的現(xiàn)狀和應(yīng)用前景。尤其對于鐵磁材料所構(gòu)建的磁性電磁超構(gòu)材料,由于其本征的磁性響應(yīng)和可調(diào)特性,使其表現(xiàn)出光子晶體和常規(guī)的電磁超構(gòu)材料所不具備的各種電磁特性和奇異現(xiàn)象;第二章中,介紹了本文采用的物理模型及理論方法:針對無限長單根磁性柱Mie散射理論,之... 

【文章來源】：浙江師范大學(xué)浙江省

【文章頁數(shù)】：61 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

二維三角晶格光子晶體能帶圖示，紅色曲線表示橫電模式(TE)，藍(lán)色曲線表示橫磁模式

第一章緒論61.3電磁超構(gòu)材料的起源及發(fā)展自1968年V.G.Veselago提出電磁參量均為負(fù)的負(fù)折射材料(negativerefractiveindex)且當(dāng)電磁波在其內(nèi)部傳輸時電場強度E、磁場強度H與波矢量K滿足左手螺旋定則而得名為左手材料(left-handedmaterial)---也稱后向波材料(backwardwavematerial)、雙負(fù)材料(doublenegativematerial)等---之后近三十年的時間里由于沒有實驗上的驗證，加之當(dāng)時正是功能性材料的發(fā)展初期，立足于原子、分子層次結(jié)構(gòu)設(shè)計與調(diào)控的傳統(tǒng)材料設(shè)計思想在新型功能材料研發(fā)中仍有強大的生命力，導(dǎo)致電磁超構(gòu)材料這一領(lǐng)域無人問津。直到1996年，英國帝國理工學(xué)院的J.B.Pendry[59]等人利用周期排布的細(xì)金屬棒陣列首次在微波頻段實現(xiàn)了負(fù)的介電常數(shù)如圖1.3(a)所示。三年后，J.B.Pendry[60]等人又利用周期排列的同心開口金屬圓環(huán)仍是在微波頻段實現(xiàn)了負(fù)的磁導(dǎo)率如圖1.3(b)所示。這兩種單負(fù)電磁參量在實驗上的實現(xiàn)不但論證了V.G.Veselago的左手材料的可實踐性還為后續(xù)超構(gòu)材料的研究提供了策略上的參考。此后，越來越多的科研工作者將研究焦點轉(zhuǎn)移至電磁超構(gòu)材料領(lǐng)域，2001年，美國加州大學(xué)圣迭戈(SanDiego)分校的D.R.Smith[61]等人在實驗室將J.B.Pendry等人所提出的周期排布的細(xì)金屬棒陣和周期排列的同心開口金屬圓環(huán)結(jié)構(gòu)組合在一起，圖1.3(a)負(fù)介電常數(shù)的周期性排布金屬棒[59]；(b)負(fù)磁導(dǎo)率的周期性排布金屬開口諧振環(huán)[60]；(c)實驗上首次實現(xiàn)的負(fù)折射率磁性電磁超構(gòu)材料[61]；(d)負(fù)折射率磁性超構(gòu)材料的折射率實驗測量值(黑色曲線)、理論模擬值(紅色曲線)以及基底媒質(zhì)的折射率測量值(藍(lán)色曲線)[61]。

第三章單層磁性電磁超構(gòu)材料的光學(xué)特性19為用a=29.0mm約化的電磁波極化分離的三組特殊情況下z方向的場強度示意圖，即TE模式畫的是磁場強度，TM模式畫電場強度。圖3.1中(a)、(b)和(c)結(jié)構(gòu)參數(shù)為1a=a=29.0mm，1r=6.03mm，對比可知：同一種結(jié)構(gòu)，當(dāng)TE模式實現(xiàn)負(fù)透射時如圖3.1(a)，TM模式可以通過調(diào)節(jié)磁場大小，實現(xiàn)全反射圖3.1(b)1200OebH=到負(fù)透射圖3.1(c)1919OecH=的切換。即可以實現(xiàn)電磁波入射，TE和TM兩種模式的電磁波極化分離現(xiàn)象。第二種結(jié)構(gòu)(d)、(e)和(f)參數(shù)為2a=a=29.0mm，2r=8.88mm，對比可知：同一種結(jié)構(gòu)，當(dāng)TE模式實現(xiàn)正透圖3.1高斯光束以45°角入射到單層磁性柱時，不同結(jié)構(gòu)和外場下單層磁性電磁超構(gòu)材料的兩種模式的z方向的電磁場強度示意圖，其中(a)、(d)和(g)為TE模式的磁場強度示意圖，其他為TM模式的電場強度示意圖；同一行表示同一種結(jié)構(gòu)，其中(b)的磁場取1200OebH=,(c)為cH=1919Oe；(e)的磁場取655OeeH=,(f)為1000OefH=；(h)的磁場取830OehH=,(i)為1714OeiH=，黑色線條表示磁性柱單鏈。射時如圖3.1(d)，TM模式可以通過調(diào)節(jié)磁場大小，實現(xiàn)全負(fù)透射圖3.1(e)655OeeH=到全反射圖3.1(f)1000OefH=的切換。即可以實現(xiàn)電磁波入射，TE和TM兩種模式的電磁波極化分離現(xiàn)象。對比以上兩種結(jié)構(gòu)及所呈現(xiàn)的極化現(xiàn)象可知：TM模式均有負(fù)透射現(xiàn)象，而此時晶格常數(shù)和工作頻率都沒有改變，且恰好滿足一定數(shù)量關(guān)系λ=a，TM模式較TE模式多了一個自由度：磁場，結(jié)構(gòu)之間半徑的改變可以


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