基于近零介電常數材料的特殊波導模式及其激發(fā)研究.pdf

1、色散介質與電磁波相互作用時，其介電常數顯著依賴于電磁波的頻率，其中波速也與頻率有關。這類介質材料不僅在自然界中天然存在，隨著科學技術的發(fā)展人們也可以設計和制備具有特定色散特性的材料。當電磁波的頻率在某個頻率附近時，某些色散材料的相對介電常數值在零值附近，被稱為近零介電常數（ENZ）材料。材料的介電常數等于零時會導致材料具有傳統(tǒng)材料不具有的一些新的光學特點，例如強耦合效應、隧道效應，近幾年對這類材料的研究越來越成為國際學者研究的熱點。

2、r>　　由于近零介電常數材料本身具有不少新穎的特點，以這種材料為基礎的納米波導結構也成為國際研究的熱點，其中“Berreman模式”、“Brewster模式”與“ENZ模式”都是由基于這種材料的波導結構產生的。“Berreman模式”、“Brewster模式”屬于輻射模式，而“ENZ模式”屬于束縛模式。“ENZ模式”這種特殊的波導模式一般存在于納米結構的波導中，而該波導結構中存在近零介電常數材料，在近零介電常數材料工作頻率附近波導中傳播

3、的特殊波導模式被命名為“ENZ模式”。當前對“Berreman模式”與“Brewster模式”的研究已經比較成熟了，近年來研究的熱點主要集中在“ENZ模式”，本論文將對薄膜平面波導中的這種特殊模式進行研究。
　　這種特殊波導模式在近零介電常數材料中傳播，因而能夠使電磁場幾乎完全局限于波導的零介電常數介質層，本論文對薄膜平面層狀波導結構中的這種特殊波導模式進行了研究。論文利用了介質對電場的局域和非局域響應理論，首先推導了兩種情況下波

4、導的色散關系，其中對局域的情況又分兩種情況進行了討論：波導芯層材料為各向同性的均勻材料，以及波導芯層材料為單軸各向異性的均勻材料，而考慮介質非局域效應情況下的波導，這里只討論各向同性的均勻材料；其次在這些理論推導基礎上，通過數值求解我們對局域與非局域兩種情況的波導色散曲線進行了研究，并且特別當相對介電常數的值趨近零時，對波導中電場強度的分布情況進行了分析，從而得到當波導結構中存在這種特殊的波導模式時，近零介電常數材料中電場強度發(fā)生了極大

5、增強的結論;論文又研究了如何實現對近零介電常數波導中特殊導波模式的激發(fā)，這里我們用基于有限元的數值模擬方法（COMSOL Multiphysics）進行研究，并且探討了波導對偶極子輻射體輻射功率的影響，這為實現電偶極子輻射速率的調控提供了理論基礎。
　　超薄的半導體波導結構運用先進的納米技術是可以制造的，人們可以使用這種結構波導的ENZ模式進行電場的定向完美吸收、ENZ模式在超快電壓調制強耦合、光電調制器、超快的熱輻射和量子發(fā)光體