人工電磁材料在自然界并不存在,可以展現(xiàn)出許多傳統(tǒng)材料不具備的奇特性質(zhì),受到了科學(xué)家們的廣泛關(guān)注。人工電磁材料在包括空間通信、電磁隱身等越來越多的領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的應(yīng)用潛力。這些應(yīng)用大多基于它特有的操控光波的能力。本文將基于二維電磁亥姆霍茲腔來設(shè)計(jì)人工電磁材料并實(shí)現(xiàn)對光的操控。基于Mie散射理論,我們研究了完美電導(dǎo)體（PEC）圍成的亥姆霍茲腔中的各種電磁模式并設(shè)計(jì)了具有回射功能的超光柵。首先,我們用嚴(yán)格的雙級數(shù)方法研究了在二維電磁亥姆霍茲腔內(nèi)激發(fā)的回音壁模式,在給出幾種回音壁模式的激發(fā)波長的同時(shí),探討了入射角、亥姆霍茲腔開口大小對回音壁模式的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)回音壁模式對入射波長和腔體開口大小的改變非常敏感,但對在一定范圍內(nèi)變化的入射角并不敏感。在此基礎(chǔ)上,我們發(fā)現(xiàn)亥姆霍茲腔中存在磁對稱偶極子模式（MSDM）,并分析了形成該模式的物理機(jī)理。基于MSDM,一個(gè)由亥姆霍茲腔構(gòu)成的線性陣列構(gòu)造的超光柵可以實(shí)現(xiàn)電磁波的回射現(xiàn)象。回射現(xiàn)象對構(gòu)成其的亥姆霍茲腔的取向排布具有很強(qiáng)的魯棒性,并且可以在較寬的入射波長范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)百分之九十以上的回射效率。當(dāng)腔體內(nèi)部的空心區(qū)域大小不變時(shí),具有有限壁厚的亥姆霍茲腔可以... 

【文章來源】：華東師范大學(xué)上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

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【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

根據(jù)介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ的材料分類示意圖

華東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文4圖1.2一維二維和三維光子晶體的簡單例子。圖中不同的顏色代表介電常數(shù)不同的材料。正是由于光子晶體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的多樣性，以及它們具有一些獨(dú)特的性質(zhì)，因此對光子晶體的研究在很多方面都取得了豐碩的成果。Yariv設(shè)計(jì)了一種由高Q值的點(diǎn)缺陷諧振腔組成的新型光學(xué)波導(dǎo)[16]。光子晶體還可以通過引入點(diǎn)缺陷來設(shè)計(jì)高Q值諧振腔[17]。光子晶體的禁帶可用來設(shè)計(jì)高效濾波器[18]。利用光子晶體的可控自發(fā)輻射來引導(dǎo)波導(dǎo)發(fā)光，制備高效發(fā)光二極管[19]。隨著對光子晶體研究的進(jìn)一步深入，光子晶體的應(yīng)用也越來越多。1.1.2超表面目前，科學(xué)家們都希望可以任意操控整個(gè)頻域內(nèi)的電磁（EM）波，這不僅是因?yàn)楹闷妫�因?yàn)椴倏仉姶挪ㄔ谥T如信息通信，國家防御，安全和傳感以及能源利用等眾多方面都有廣泛的應(yīng)用。在所有這些應(yīng)用中，關(guān)鍵的問題是如何基于物理尺寸盡可能使設(shè)備或系統(tǒng)小型化。用于控制EM波的常規(guī)裝置（例如透鏡，鏡子，偏振器等）由天然存在的介電材料制成。然而，由于這些材料的介電常數(shù)變化范圍非常有限，因此傳統(tǒng)裝置通常尺寸較大并且形狀是彎曲的。此外，由于天然材料中存在阻抗不匹配問題，傳統(tǒng)裝置的工作效率通常不會(huì)很高�；谝陨蠁栴}，超表面是一種很好的解決方案。超表面（Metasurfaces）是由亞波長諧振器組成的人工設(shè)計(jì)的超薄二維材料。在電磁特性方面，相對于天然材料，超表面更具有優(yōu)勢。亞波長厚的超表面能夠調(diào)控電磁波的波前，這會(huì)產(chǎn)生很多有趣的應(yīng)用，比如負(fù)折射[20]、完美透鏡[21]、全息圖[22]等等。

華東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文5圖1.3廣義菲涅耳折射定律坐標(biāo)圖由于超表面具有亞波長厚度，所以傳統(tǒng)光學(xué)中的斯涅耳定律（Snell’slaw）在超表面中并不適用。因?yàn)槌砻嬖谠O(shè)計(jì)過程中引入了相位的變化，所以邊界條件也隨之改變。下面給出了廣義的斯涅耳折射定律dxdknnoiitt1)sin()sin(dydknottt1)sin()cos(和廣義的斯涅耳反射定律dxknoiird1)sin()sin(dydknorrr1)sin()(cos根據(jù)以上定律可知，通過調(diào)控超表面的相位φ，就可以按照設(shè)計(jì)者的想法實(shí)現(xiàn)對光的操控了。


本文編號：3259599