光頻段球形負(fù)折射超常材料的特性研究.pdf

1、負(fù)折射超常材料(Negative-Index Metamaterials,NIMs)是一種折射率為負(fù)的新型人工電磁材料。由于這樣的超常材料能夠?qū)崿F(xiàn)很多新穎的應(yīng)用如完美透鏡,光納米電路,隱形斗篷等,近年來關(guān)于負(fù)折射超常材料的研究取得了巨大的進(jìn)展。隨著負(fù)折射超常材料的快速發(fā)展,研究三維光頻段的負(fù)折射超常材料成為科學(xué)界新的課題?；谶@樣的背景,本文對(duì)全介電球形顆粒和全介電球殼進(jìn)行了分析研究,理論上證實(shí)了全介電納米球殼在光頻段可以展現(xiàn)負(fù)的折射系

2、數(shù)。
　　 首先,本文介紹了負(fù)折射超常材料的原理與應(yīng)用,在詳細(xì)了解國內(nèi)外負(fù)折射超常材料研究背景的情況下,提出了本文的研究目的和內(nèi)容。
　　 其次,總結(jié)了已有的三維光頻段負(fù)折射超常材料的研究方法。對(duì)三維幾何構(gòu)造的負(fù)折射超常材料方法中的開口諧振環(huán)(Split Ring Resonators,SRRs)和金屬線模型進(jìn)行了全波仿真,從理論和實(shí)驗(yàn)的角度證實(shí)了其在微波頻段的可行性。對(duì)比各種方法后,提出本文的研究理論基礎(chǔ)為基于米氏散射

3、理論擴(kuò)展的有效介質(zhì)理論。
　　 再次,本文提出了新的實(shí)現(xiàn)光頻段磁響應(yīng)和電響應(yīng)的方法。該方法以全介電納米顆粒為模型,以米氏擴(kuò)展(Mie-extended)的有效介質(zhì)理論為基礎(chǔ)。對(duì)電介質(zhì)納米顆粒,負(fù)的有效磁導(dǎo)率源于強(qiáng)的磁偶極子響應(yīng),而負(fù)的有效介電常數(shù)源于強(qiáng)的電偶極子響應(yīng)。通過數(shù)值模擬得到了在不同半徑,數(shù)量密度,顆粒的介電常數(shù)以及外部主介質(zhì)的介電常數(shù)條件下的磁響應(yīng)和電響應(yīng),并定性描述了這些參數(shù)對(duì)磁響應(yīng)頻率和有效磁導(dǎo)率大小的影響趨勢。<

4、br>　　 最后,對(duì)全介電納米球殼的特性進(jìn)行了研究,理論結(jié)果表明以納米球殼為基本單元的復(fù)合材料可以展現(xiàn)等效的負(fù)折射系數(shù)。根據(jù)上面總結(jié)的規(guī)律,對(duì)材料參數(shù)與磁、電響應(yīng)的影響大小做了一定的折中,從而把磁響應(yīng)和電響應(yīng)耦合在相同的頻段范圍。其中,低介電常數(shù)的球核產(chǎn)生磁響應(yīng),較高介電常數(shù)的納米球殼產(chǎn)生電響應(yīng)。數(shù)值模擬得到了共心的介電球殼在265THz頻段折射系數(shù)為-1.2,結(jié)果證實(shí)了用全介電共心納米球殼可以實(shí)現(xiàn)三維光頻段負(fù)折射超常材料。這為構(gòu)造三