【摘要】：表面波是指被限制在兩種介質(zhì)的一個很薄的界面區(qū)域內(nèi)并沿這個平面方向傳播的電磁波,在垂直于這個平面方向上,其振幅會隨著偏離平面距離的增加而逐漸衰減。超材料(metamaterial)是具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料,在電磁隱身、完美透鏡和超分辨成像等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。由于超材料具備新穎的物理性質(zhì),在其表面?zhèn)鞑サ谋砻娌ǖ男再|(zhì)也自然地引起了人們的關(guān)注。目前人們主要通過對超材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計來調(diào)控超材料表面波,然而一旦其結(jié)構(gòu)被設(shè)計好之后便無法改變,因此研究對表面波進行調(diào)控具有更重要的意義。本論文主要研究了通過施加外物理場調(diào)諧超材料表面波的特性。具體的研究內(nèi)容和結(jié)果如下:1.非線性超材料與超導(dǎo)材料界面處的表面波研究了非線性超材料與超導(dǎo)材料界面處的非線性TE表面波,基于界面處電磁場的連續(xù)性,獲得了非線性表面波的色散方程。運用了二流體模型討論了溫度對于高溫超導(dǎo)體的介電常數(shù)的影響,數(shù)值計算并討論了表面波傳播的等效折射率、能流分布、非線性超材料中孤子場分布最大值的位置等。結(jié)果表明等效折射率(表面波的傳播速度)的大小和孤子振幅最大值的位置可以受到溫度和非線性項的調(diào)諧。孤子峰值的位置隨著非線性項的不斷增大而靠近分界面,隨著溫度不斷增大而遠離界面。表面波能量主要以孤子的形態(tài)分布在非線性材料中,通過改變溫度可以來調(diào)諧表面波在兩種介質(zhì)中的能流分布。2.外磁場對介于半導(dǎo)體與超材料界面處表面波的調(diào)控研究了介于超材料和半導(dǎo)體材料界面處的非線性TE表面波,獲得了表面波的色散關(guān)系�；诎雽�(dǎo)體In Sb磁光沃伊特效應(yīng),數(shù)值計算并討論了外磁場和非線性項對等效折射率、能流分布、孤子振幅最大值位置的調(diào)控。結(jié)果表明當(dāng)頻率小于半導(dǎo)體的等離子頻率時,等效折射率隨著外磁場的增大而增大,而當(dāng)頻率大于半導(dǎo)體的等離子頻率時,等效折射率隨著外磁場的不斷增大而減小。等效折射率隨著非線性項增強而不斷增大。孤子的峰值位置隨外磁場增大和非線性項增強而靠近分界面。通過改變外磁場來調(diào)諧表面波能量在兩種介質(zhì)中的分布,結(jié)果可應(yīng)用于光隔離器。3.介于非線性材料與超材料界面處的表面波研究了介于非線性材料與線性超材料界面處的非線性TM表面波的精確色散特性。TM波是兩個電場分量相互耦合的矢量表面波,通過一次積分方法獲得非線性表面波精確的色散關(guān)系。近似線性解與精確的色散關(guān)系進行比較發(fā)現(xiàn)色散關(guān)系曲線的在討論的頻率范圍內(nèi)偏離10%以上。在此基礎(chǔ)上我們討論了等效介電常數(shù)、表面波的穿透深度隨著激發(fā)電磁波場強度和非線性介質(zhì)的克爾系數(shù)變化的規(guī)律。
[Abstract]:Surface wave is a kind of electromagnetic wave which is confined in a very thin boundary area of two kinds of media and propagates along the plane direction. In the vertical direction of the plane, the amplitude of the wave decreases gradually with the increase of the distance away from the plane. Metamaterial (metamaterial) is an artificial composite structure or composite material with supernormal physical properties which is not possessed by natural materials. It has important applications in electromagnetic stealth, perfect lens and super-resolution imaging. Due to the novel physical properties of metamaterials, the properties of surface waves propagating on their surfaces have naturally attracted people's attention. At present, the design of metamaterial structure is mainly used to control the metamaterial surface wave, but once its structure is designed, it can not be changed, so it is more important to study the regulation of the surface wave. In this paper, the characteristics of surface waves of metamaterials tuned by external physical field are studied. The specific research contents and results are as follows: 1. The nonlinear TE surface wave at the interface of nonlinear supermaterial and superconducting material is studied. Based on the continuity of electromagnetic field at the interface, the dispersion equation of nonlinear surface wave is obtained. The influence of temperature on the dielectric constant of high temperature superconductors is discussed by using a two-fluid model. The equivalent refractive index of surface wave propagation, the energy flow distribution and the position of the maximum soliton field distribution in nonlinear supermaterials are numerically calculated and discussed. The results show that the magnitude of the equivalent refractive index (the propagation velocity of the surface wave) and the position of the maximum soliton amplitude can be tuned by the temperature and the nonlinear term. The position of the soliton peak value is close to the interface with the increasing of the nonlinear term and far away from the interface with the increase of temperature. Surface wave energy is mainly distributed in nonlinear material as soliton, and the energy flow distribution of surface wave in two media can be tuned by changing temperature. 2. The nonlinear TE surface waves at the interface between the supermaterial and the semiconductor material are studied by the external magnetic field. The dispersion relationship of the surface waves is obtained. Based on the In Sb magneto-optical Woithe effect, the control of the external magnetic field and nonlinear terms on the equivalent refractive index, energy flow distribution and the position of the maximum soliton amplitude is numerically calculated and discussed. The results show that the equivalent refractive index increases with the increase of the external magnetic field when the frequency is less than the plasma frequency of the semiconductor, while the equivalent refractive index decreases with the increasing of the external magnetic field when the frequency is larger than the plasma frequency of the semiconductor. The equivalent refractive index increases with the increase of nonlinear term. The peak position of the soliton is close to the interface with the increase of the external magnetic field and the enhancement of the nonlinear term. The distribution of surface wave energy in two media can be tuned by changing the external magnetic field. The results can be applied to the optical isolator. The exact dispersion of nonlinear TM surface waves at the interface between nonlinear material and metamaterial is studied. TM wave is a vector surface wave coupled with two electric field components. The exact dispersion relation of nonlinear surface waves is obtained by the one-order integral method. By comparing the approximate linear solution with the exact dispersion relation, it is found that the dispersion curve deviates by more than 10% in the frequency range under discussion. On this basis, we discuss the law of the change of equivalent dielectric constant, penetration depth of surface wave with the intensity of excited electromagnetic wave field and Kerr coefficient of nonlinear medium.
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：O441.4;TB39

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本文編號：2323344