基于人工介电材料的微波段变换光学器件研制

【摘要】变换光学是通过坐标变换来达到任意控制光路的学科，通过坐标变换可以计算出需要达到这种调控的材料的电磁参数。这些材料的电磁参数通常很极端：各项异性、连续变化或是含有极限值，这就是超材料。超材料是超越自然材料属性的一种人造结构材料，通常拥有自然材料所不具有的电磁性质，或者特殊折射率分布的特殊材料属性，超材料不仅存在于理论，实验室也存在超材料器件，超材料通常由亚波长的人造结构：如金属线网结构，开口谐振环结构组成。对此，科研工作者们已经做了许多十分优秀的工作。近几年，一种基于超材料的结构——超平面正在成为研究的热点，一些特殊现象，如异常反射、折射等相继在理论和实验上被发现。基于此，人们制备了传播波与表面波转换的器件。本文详细介绍了变换光学超材料的起源和发展，并且介绍了一些经典的共振结构。为了研究超材料，我们将介绍实验室常用的一些技术手段，包括二维近场测量系统和有限元仿真。通常坐标变换得到的超材料拥有几个致命的弱点，那就是工作频率极窄且参数极复杂，而基于保角变换得到的材料参数通常各项同性和不含极端值，并且通过蜂窝板结构可以得到宽频器件。基于保角变换，我们设计并制作了一个微波聚焦透镜，它可以将点源化为平面波，得到准直性很好的出射波，更为重要的是它拥有很宽的工作频带。基于超平面，我们设计了一个微波非对称传输波导，该波导内嵌具有梯度折射率分布的超平面材料，电磁波从不同端口入射时将截止或者转化为表面波继续传播，展现了两个方向非对称导波的功能。这个特性类似于电子二极管，因此我们的非对称传输波导构成了一种光学二极管的雏形，可用于指导高频光波二极管的设计和新型微波功能器件的研制。
【作者】顾辰东；
【导师】侯波；
【作者基本信息】苏州大学，光学，2014，硕士
【关键词】变换光学；超材料；微波透镜；非对称传输；

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