【摘要】：在自然界物質(zhì)中,除了最基本的兩大多極子系統(tǒng)(即電多極子和磁多極子)之外,還存在著一種特殊的電磁激發(fā)現(xiàn)象——環(huán)形多極子激發(fā)。在核物理、粒子物理以及DNA等自然物質(zhì)的研究中,早已涉及到環(huán)形多極子。環(huán)形偶極子作為其最基本的成員,具有很多新穎的電磁特性,在設(shè)計具有極化偏轉(zhuǎn)、諧振透明等高性能的電磁設(shè)備、光學(xué)器件中,具有廣闊的應(yīng)用前景。近年來,電磁超介質(zhì)由于其單元構(gòu)造的任意性和目的性,使得增強(qiáng)環(huán)形偶極子的響應(yīng)到可觀測量級成為可能。因此,通過合理的超介質(zhì)設(shè)計,實(shí)現(xiàn)環(huán)形偶極子響應(yīng),研究其相關(guān)特性和應(yīng)用,具有重要的學(xué)術(shù)價值和研究意義。本文工作圍繞環(huán)形偶極子超介質(zhì)的理論、仿真與實(shí)驗(yàn)展開,主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新如下：1. 環(huán)形偶極子相關(guān)理論研究。推導(dǎo)了包括電多極矩、磁多極矩、電環(huán)形多極矩和磁環(huán)形多極矩在內(nèi)的多極矩散射能量公式,建立了超介質(zhì)的諧振與多極子的復(fù)合散射相結(jié)合的理論模型；并理論分析了超介質(zhì)內(nèi)部微觀多極子激發(fā)和宏觀傳輸特性之間的關(guān)系：研究了立體超介質(zhì)中多極子耦合(主要是偶極子耦合)對諧振特性的影響。這些相關(guān)理論研究為環(huán)形偶極子超介質(zhì)提供了理論依據(jù),對實(shí)現(xiàn)環(huán)形偶極子具有一定的指導(dǎo)作用。2. 電環(huán)形偶極子超介質(zhì)的實(shí)現(xiàn)與特性研究。提出了實(shí)現(xiàn)電環(huán)形偶極子響應(yīng)的模型——位于赤道面上的多開縫電流線圈,得出電環(huán)形偶極子諧振強(qiáng)度與其開縫的個數(shù)有關(guān)。首次在微波段(11.2GHz)設(shè)計并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電環(huán)形偶極子響應(yīng),并通過散射能量計算結(jié)果和旋渦形分布電場得到進(jìn)一步驗(yàn)證。接著,基于多開縫電流線圈模型,提出了一種具有輻條形孔隙的立體電環(huán)形偶極子超介質(zhì),重點(diǎn)研究了電環(huán)形偶極子和磁偶極子相消耦合產(chǎn)生的諧振透明現(xiàn)象,實(shí)現(xiàn)了新穎的無輻射結(jié)構(gòu);研究發(fā)現(xiàn)這種新型超介質(zhì)具有圓極化轉(zhuǎn)換特性,可以在同一頻率將入射的左旋圓極化波轉(zhuǎn)換成右旋圓極化波,或者將右旋圓極化波轉(zhuǎn)換為左旋圓極化波,這些研究成果在多極化天線等微波器件中有著潛在的應(yīng)用價值。3. 磁環(huán)形偶極子超介質(zhì)的實(shí)現(xiàn)與特性研究�；诶@著圓環(huán)面的螺繞環(huán)電流線圈,提出了實(shí)現(xiàn)磁環(huán)形偶極子響應(yīng)的模型,推導(dǎo)了該模型中磁偶極矩、磁四極矩和磁環(huán)形偶極矩的表達(dá)式,給出兩種抵消磁偶極矩z分量、提高磁環(huán)形偶極子諧振的方法,這對實(shí)現(xiàn)磁環(huán)形偶極子超介質(zhì)具有一定的指導(dǎo)意義。接著,設(shè)計了簡化形式的螺繞環(huán)超介質(zhì),研究了實(shí)現(xiàn)磁環(huán)形偶極子的機(jī)制,以及超介質(zhì)的手征性,包括旋光性和圓二色性等。然后提出了電場激勵的磁環(huán)形偶極子超介質(zhì)模型,在6.14GHz處觀測到磁環(huán)形偶極子響應(yīng),以及電偶極子和磁環(huán)形偶極子相消耦合產(chǎn)生的諧振透明現(xiàn)象,透射率達(dá)到98.8%。最后,在納米圓柱體介質(zhì)結(jié)構(gòu)中,基于位移電流的米氏諧振,實(shí)現(xiàn)了諧振頻率位于411.5THz的磁環(huán)形偶極子響應(yīng),進(jìn)而證明在介質(zhì)型超介質(zhì)中也可以實(shí)現(xiàn)磁環(huán)形偶極子響應(yīng)。4. 平面結(jié)構(gòu)的環(huán)形偶極子超介質(zhì)。針對電磁波側(cè)面入射的情況下,立體超介質(zhì)的結(jié)構(gòu)繁瑣、厚度大、存在二次散射等復(fù)雜干擾的缺點(diǎn),提出了兩種平面結(jié)構(gòu)的環(huán)形偶極子超介質(zhì)模型。模型一是一個電場激勵的平面磁環(huán)形偶極子超介質(zhì),厚度僅為0.813mm(0.024λ0),著重研究了單元內(nèi)每個開口諧振環(huán)對實(shí)現(xiàn)磁環(huán)形偶極子響應(yīng)的影響,并研究了多層結(jié)構(gòu)、基底介質(zhì)對響應(yīng)強(qiáng)度的影響等。模型二采用特殊的一體化設(shè)計方法,將兩種單元結(jié)構(gòu)巧妙地融合在一起,設(shè)計了一種平面結(jié)構(gòu)的環(huán)形偶極子超介質(zhì),厚度僅為2mm(0.019λT,0.078λG)。在垂直入射的平面電磁波情況下,不同的極化方向可以激發(fā)出不同的環(huán)形偶極子響應(yīng)——電環(huán)形偶極子響應(yīng)和磁環(huán)形偶極子響應(yīng),重點(diǎn)研究了偶極子耦合對諧振頻率的相對高低以及實(shí)現(xiàn)環(huán)形偶極子的影響。論文通過設(shè)計不同的環(huán)形偶極子超介質(zhì)模型,研究了新穎的電／磁環(huán)形偶極子響應(yīng),并探討了環(huán)形偶極子超介質(zhì)的相關(guān)電磁特性,為研究新型的環(huán)形偶極子超介質(zhì)奠定了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ),并為基于環(huán)形偶極子的應(yīng)用開辟了一條新的途徑。
【圖文】：

環(huán)（Ｓｐｌｉｔ邋Ｒｉｎｇ邋Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ，邋ＳＲＲ）邐金屬片、金屬網(wǎng)格到復(fù)雜的彎折線分形結(jié)逡逑構(gòu)１２１１等。其中，最常見的構(gòu)建電磁超介質(zhì)的單元結(jié)構(gòu)是截斷金屬線和開縫金屬環(huán)，送兩種結(jié)構(gòu)逡逑也常被稱為人造電＂原子＂和人造磁＂原子＂，如圖１．２所示。圖（ａ）中，當(dāng)外加電場沿截斷逡逑金屬線方向時，在金屬線上引起電荷周期性地振動，產(chǎn)生電諧振，此時截斷金屬線可１＾等價為逡逑一個電偶極子。圖（ｂ）為開縫諧振環(huán)實(shí)現(xiàn)的人造磁＂原子＂，當(dāng)外加磁場穿過開縫諧振環(huán)時，逡逑在開縫諧振環(huán)上激勵起環(huán)形電流，產(chǎn)生磁諧振，可Ｗ等價為一個穿過金屬環(huán)的磁偶極子；此外，逡逑當(dāng)外加電場沿著ＳＲＲ環(huán)的縫隙方向時，也會激勵起環(huán)形電流レッ及磁諧振。因此在開縫諧振環(huán)上，逡逑其實(shí)存在著電諧振和磁諧振的復(fù)雜鍋合。實(shí)際上，除了集總元件形式的１２２１和基于波導(dǎo)的電磁逡逑超介質(zhì)外，絕大多數(shù)超介質(zhì)是由這兩種電／磁＂原子＂基本結(jié)構(gòu)及變形結(jié)構(gòu)組成，通過合理地排逡逑布，通�？桑讓�(shí)現(xiàn)不同的電磁特性。逡逑Ｖ邋Ｚ邐Ｅｌｅｃｔｒｉｃ邋Ｄｉｐｏｌｅ逡逑＼邐ｆｌ邋４�。捱姡皱逯姡停幔澹睿澹欤椋沐澹模椋穑铮欤邋义希欤欤欤炜�？逡逑似邐似逡逑圖１．邋２構(gòu)成超介質(zhì)的基本電諧振和磁諧振單元。（ａ）截斷金屬線及其等效電偶極子示意圖

＿＿．逡逑圖１．１超介質(zhì)的ｃ－／／分類，坐標(biāo)原點(diǎn)處是折射率為零的介質(zhì)。逡逑電磁超介質(zhì)的組成單元具有形態(tài)各異的結(jié)構(gòu)：從結(jié)構(gòu)簡單的截斷金屬線＂＂、開縫金屬諧振逡逑環(huán)（Ｓｐｌｉｔ邋Ｒｉｎｇ邋Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ，邋ＳＲＲ）邐金屬片、金屬網(wǎng)格到復(fù)雜的彎折線分形結(jié)逡逑構(gòu)１２１１等。其中，最常見的構(gòu)建電磁超介質(zhì)的單元結(jié)構(gòu)是截斷金屬線和開縫金屬環(huán)，送兩種結(jié)構(gòu)逡逑也常被稱為人造電＂原子＂和人造磁＂原子＂，如圖１．２所示。圖（ａ）中，當(dāng)外加電場沿截斷逡逑金屬線方向時，在金屬線上引起電荷周期性地振動，，產(chǎn)生電諧振，此時截斷金屬線可１＾等價為逡逑一個電偶極子。圖（ｂ）為開縫諧振環(huán)實(shí)現(xiàn)的人造磁＂原子＂，當(dāng)外加磁場穿過開縫諧振環(huán)時，逡逑在開縫諧振環(huán)上激勵起環(huán)形電流，產(chǎn)生磁諧振，可Ｗ等價為一個穿過金屬環(huán)的磁偶極子；此外，逡逑當(dāng)外加電場沿著ＳＲＲ環(huán)的縫隙方向時，也會激勵起環(huán)形電流レッ及磁諧振。因此在開縫諧振環(huán)上，逡逑其實(shí)存在著電諧振和磁諧振的復(fù)雜鍋合。實(shí)際上
【學(xué)位授予單位】：華中師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O442

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本文編號：2565705