零折射率超材料中電磁波的傳播.pdf

1、人工電磁超材料以其介電常數和磁導率可以設計為任意值的特點展現出了許多傳統材料沒有的獨特的電磁特性，成為目前多個領域研究和開發(fā)工作的重點。而作為超材料的一種，折射率近零的超材料也日益受到廣泛的關注。因為其折射率近零，導致電磁波在其中傳播時相速度無限大，幾乎不會引起電磁波的相位變化，這一特點使得零折射率超材料具備了很多非凡的物理性能，在定制波陣面、創(chuàng)建亞波長通道、調控缺陷控制電磁波傳播、構建光學納米電路以及制造近乎完美的彎曲波導等很多方面得

2、到了廣泛的應用。因此研究電磁波在零折射率超材料中的傳播情況非常有必要。
　　本論文重點研究了帶有缺陷的零折射率超材料的電磁特性，然后分析了折射率在正值、零和負值間可調的超材料的設計思路。具體內容如下：
　　一、帶布拉格光纖狀缺陷的零折射率超材料或近零介電常數超材料實現物體隱身和Fano共振
　　將布拉格光纖結構的介電缺陷分別引入到零折射率超材料和近零介電常數超材料中去，經過理論分析和數值模擬，所構成的超材料可以用來實現

3、一維隱身效果，對于波長位于帶隙范圍中的電磁波而言，布拉格光纖結構其性能就如同完美電導體或完美磁導體一樣，可以完全阻止電磁波穿透進入內部核層結構，所以此時若在介質核內部放置任意物體，都不會導致電磁波的透射情況發(fā)生變形。另外在透射光譜中也觀察到了在全反射和全透射之間變化的窄Fano線型和寬Fano線型，這兩者分別對應核共振和布拉格光纖結構的共振。通過數值推導，我們得出了該結構發(fā)生全反射和全透射的條件。
　　二、近零介電常數超材料模擬完

4、美磁導體
　　當在近零介電常數（Epsilon-near-zero metamaterials，ENZ）的材料中引入任意形狀的介電缺陷時，其對于恒磁場（磁場H?只沿著z方向）TM模式的電磁波入射可以呈現出等效的完美磁導體（Perfect magnetic conductor，PMC）的效果。這是因為通過調控介質缺陷的材料參數，當缺陷中發(fā)生磁共振時，其共振節(jié)點會落在缺陷的邊界上，而缺陷外的ENZ材料可以將這種零磁場的模式傳輸到結構的

5、外部邊界上，從而使得結構整體體現出PMC的特點。通過對比散射、全反射和完美吸收的效果，我們發(fā)現此結構呈現出良好的性能。同時，結構中無論使用各向同性或者各向異性或者帶吸收的零介電常數材料，都能呈現出相同的特點。因此我們的研究結果提供了一種很實際并很靈活的方式來實現從微波段到紅外和可見光波段等效的PMC效果。
　　三、負值-零-正值間可調折射率的實現
　　通過分析球形顆粒摻雜的復合體系發(fā)生電共振和磁共振的條件，確定了復合體系要得