电磁特异表面的理论及实验研究

【摘要】电磁特异介质(metamaterials)是指基于亚波长共振微结构(又称“人工原子”)按照一定宏观“序”建造而成的人工电磁材料,其具有自然材料不具备的一系列奇异电磁特性,因而对电磁波展现出前有未有的强大调控能力。基于等效媒质的概念,电磁特异介质的研究和设计已取得了重大进展。自1999年以来,电磁特异介质的发展可以归纳为两条线索：人工原子的设计以及体系宏观序的改变。在第一个方面,设计并制备出的人工原子尺度越来越小从而使得电磁特异介质的工作频段越来越高,而同时越来越多的新型量子材料被应用于人工原子的设计/制备中,产生出许多新奇物理现象。而另一方面,体系的宏观“序”的发展从简单周期性,到绝热缓变型,直到最近发展的材料特性突变型体系。通过调控“人工原子”的局域特性及选取特定的宏观序,人们设计并制备出一系列具奇异电磁波特性的电磁特异介质,并基于此发现了大量新奇物理现象及拓展了原有的对电磁波传输规律的认识。在本论文中,我们将结合理论、仿真、设计与实验,重点研究与电磁特异表面(即超薄电磁特异介质体系)相关的奇异物理现象。具体包括：一类基于分形结构的等离激元特异介质表面的物理特性及其在成像、慢波传输、吸波等方面的应用研究；一类非均匀电磁特异介质表面对电磁波的调控机理研究；以及电磁特异介质共振耦合方面的相关理论研究。本论文的组织结构如下。我首先在第一章中分别以“人工原子”和“序”为两条主线简单回顾一下电磁特异介质的发展历史,然后在第二章(电磁特异表面理论与实验方法介绍)中着重介绍我们课题组自己建立及发展的用于研究电磁特异介质表面的理论与实验方法,其中包括：用于研究周期性/非均匀电磁特异表面对电磁波散射问题的模展开方法,电磁波的紧束缚理论,以及微波近场扫描测量方法等。第三、四、五三章总结了本人在博士期间所做的研究工作。在第三章(打孔金属表面相关研究)中,我将系统介绍本人有关人工表面等离子相关的研究成果。首先在3.2节中,我们展示一类基于分形结构的打孔金属表面可同时支持横电(TE)及横磁(TM)两种极化模式的人工表面等离激元,这种设计理念无需高介电材料填充,且原则上可在任意频段实现；然后在3.3节中,我们利用微波实验及数值模拟证明这种结构可实现打破衍射极限的亚波长成像;在3.4节中,我们进一步在理论上讨论了孔的形状对成像质量的影响,发现孔与外场的耦合系数是决定成像质量的关键因素；接着我们在3.5节中发展了一套各向异性有效媒质模型来描述这种打孔金属表面；随后在3.6节中,我们结合实验和模拟系统研究了这种超薄打孔金属所支持的慢波效应,并证明利用这种慢波效应可显著增强光与物质相互作用,包括电磁波完美吸收及增强的非线性效应等;最后在3.7节中,我们通过理论分析指出：近场的高阶耦合是打孔金属表面支持超级慢波效应的内在物理根源。第四章(梯度电磁特异介质表面研究)是对我们有关非均匀电磁特异介质表面对电磁波的调控机理研究的总结。我们首先在4.2节中发展了一套可以研究非均匀电磁特异介质表面对电磁波散射问题的严格模展开理论,随后在4.3节将此理论分别应用到两个模型体系中：线性相位梯度表面及抛物线型相位梯度表面,发现前者可以将特异介质表面的反射位相梯度作为一个有效波矢施加到出射波的平行波矢上,从而实现非镜面反射等一系列奇异物理现象,而后者可将入射平面波聚焦为一个像点；在4.4节中,通过忽略近场修正及采用局域近似,我们简化了严格的模展开理论并且回到了前人广泛使用的局域响应模型,并清晰地指出了这种模型的一个重大局限性的来源；然后在4.5节中,我们对线性梯度特异表面以及抛物线梯度特异表面进行了实验验证,发现实验结果与4.2节中的理论计算结果完美符合；最后,我们在4.6节中利用实验展示了如何利用线性梯度特异介质表面实现从传播波到表面波的完美转化。第五章(基于电磁波紧束缚的理论研究)是我们对电磁特异介质共振耦合方面的相关理论研究的总结。我们首先在5.2节中,仿照固体电子论的紧束缚理论,建立了一套适用于色散光子体系的紧束缚理论,其中理论中所涉及的所有模型参数都可以通过从头计算方法得到,而无需进行参数拟合；然后在5.3节,我们发展了一套利用紧束缚模型进行电磁波时域演化动力过程的理论计算方法。第六章(总结),我会对论文进行一个简短的总结和回顾。
【作者】肖诗逸；
【导师】周磊；
【作者基本信息】复旦大学，理论物理，2013，博士
【关键词】特异介质；等效媒质；奇异高透；人工等离子体基元；梯度特异介质表面；紧束缚理论；

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