負折射率介質的特性研究.pdf

1、負折射機制分為兩種，局域共振機制和非局域布拉格散射機制。電磁波在多數(shù)左手材料中的負折射屬于局域共振機制，在光子晶體中，布拉格散射機制起主要作用。局域共振機制不要求周期結構的晶格常數(shù)與電磁波的波長相比擬，周期結構的單元可以遠小于波長，因此左手材料可以被視為均勻介質。而布拉格機制要求晶格常數(shù)與電磁波的波長相比擬，對于THz以及光波段，晶格常數(shù)在納米量級以下，對工藝要求非常高，因此絕大多數(shù)光子晶體為各向異性材料，不能用有效介質理論來處理。如果

2、將左手材料定義為介電常數(shù)和磁導率同時為負的材料，則光子晶體不屬于左手材料，通過對光子晶體的結構及光子能帶進行合理設計，也可以實現(xiàn)所需頻段的負折射。本論文從研究左手材料的負折射特性著手，延伸到光子晶體中，對兩類介質中的負折射機理進行深入剖析，為左手材料和負折射光子晶體在集成光學中的應用提供理論和仿真實驗依據(jù)。論文的主要工作和創(chuàng)新點包括以下幾個方面：
　?。?）利用有效介質理論對左手材料中的負折射現(xiàn)象進行了深入的研究，提出了負折射是負

3、相速度的結果，與平面波的空間調制有關，與時間調制無關。代表時間調制特性的單頻率脈沖波前和多頻率干涉波前發(fā)生正折射維持了因果關系。推導了有損耗介質中的后向波條件，即同時滿足ε′<0、μ′<0和ε′μ"+ε"μ′<0。在各向同性介質中，只存在兩種可能情況，即群速度vg平行于波矢k，或vg與k反平行。
　　（2）證明了兩個半無限大非磁性均勻介質界面上表面波存在的條件，即ε1ε2<0且ε1+ε2<0。若同時滿足ε2<0和μ2<0，表面波可

4、以既為TM模式又為TE模式。證明了改變右手介質或左手介質的結構參數(shù)，可以調制表面波透明窗口的大小，還可以改變TE和TM模式表面波的方向。建立了表面波群速度的理論模型，證明了表面波的波矢與坡印廷矢量可以反平行。仿真驗證了通過設計材料參數(shù)可以控制表面波的傳輸方向。對均勻介質平板中的TM模式和TE模式場分布進行計算，得到了TM和TE模式表面波的色散關系，得到了平板中對稱模式與非對稱模式的場分布，分析了平板參數(shù)對這兩種模式的影響，計算了介質平板

5、的傳輸系數(shù)與反射系數(shù)，證明了左手介質平板為倏逝波提供了一個放大因子exp(√kx2-ω2c-2d)，給出了平板系統(tǒng)中倏逝波的場強分布。對于介質平板厚度d→+∞的極限情況下倏逝波的衰減系數(shù)進行修正。
　?。?）將光子晶體中的負折射分為三類，即有效負折射率負折射、全角負折射，和由于特殊的等頻線形狀引起的負折射。利用正三角形晶格光子晶體的第二能帶實現(xiàn)了有效負折射率負折射。提出了理論計算有效參數(shù)的方法，得到了有效折射率、有效介電常數(shù)與有效

6、磁導率與頻率的關系曲線。分析了有效負折射率光子晶體平板的成像特性，驗證了入射角度對優(yōu)先取向波導效應的影響。利用正方形晶格光子晶體的第一能帶實現(xiàn)了全角負折射，證明了全角負折射光子晶體比有效負折射率光子晶體更利于實現(xiàn)超透鏡現(xiàn)象。對菱形晶格光子晶體的第一、二頻帶進行分析，仿真驗證了不同頻率的光分別入射到沿Г-T和Г-M的界面方向均可以發(fā)生負折射現(xiàn)象，實現(xiàn)了兩個界面方向的超棱鏡效應。
　?。?）通過對半無限大光子晶體能帶結構進行設計，仿真