新型左手材料的設(shè)計(jì)及其特性.pdf

1、左手材料是電容率和磁導(dǎo)率同時(shí)小于零的人工特異材料，它具有諸多不同于普通介質(zhì)的非凡特性和潛在的應(yīng)用前景，是當(dāng)前國(guó)際研究的熱點(diǎn)課題之一。本論文是根據(jù)目前左手材料的不足，設(shè)計(jì)了多種新型左手材料，尤其是在可見(jiàn)光波段具有高透過(guò)率的左手材料。主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面： （1）限于金屬波導(dǎo)中的離散漁網(wǎng)格振蕩器。通過(guò)對(duì)一個(gè)結(jié)構(gòu)單元的S參數(shù)的計(jì)算，提取出材料的各種電磁參數(shù)，并發(fā)現(xiàn)折射率在波長(zhǎng)為614 nm和661 nm之間是負(fù)的。品質(zhì)因數(shù)FOM的

2、最大值在640nm處為0．9。對(duì)于另外一組單元尺寸，在波長(zhǎng)655 nm處的FOM值達(dá)到1．07。還通過(guò)計(jì)算單元中銀表面的誘導(dǎo)電流分布，揭示了此結(jié)構(gòu)的振蕩機(jī)理。以及提出了相應(yīng)的LC振蕩電路，并對(duì)其進(jìn)行定量的分析和計(jì)算，計(jì)算結(jié)果顯示了文中提出的LC振蕩模型能夠較好地預(yù)言結(jié)構(gòu)的共振波長(zhǎng)。 （2）限于金屬波導(dǎo)中的離散桿對(duì)振蕩器。通過(guò)對(duì)一個(gè)結(jié)構(gòu)單元的S參數(shù)的計(jì)算，提取出材料的各種電磁參數(shù)，并發(fā)現(xiàn)折射率在波長(zhǎng)為517 nm和564 nm之間

3、是負(fù)的。品質(zhì)因數(shù)FOM的最大值在543．5 nm處為1．12。對(duì)于另外一組單元尺寸，在波長(zhǎng)721 nm處的FOM值達(dá)到1．41。大量的模擬也驗(yàn)證了只要改變單元的幾何尺寸就可以獲得具有高FOM值的負(fù)折射帶。 （3）內(nèi)有金屬桿陣列的金屬波導(dǎo)。通過(guò)對(duì)材料的一個(gè)單元的S參數(shù)的計(jì)算，提取出材料的折射率、波阻抗、有效電容率和有效磁導(dǎo)率。模擬結(jié)果顯示具有高透過(guò)率負(fù)折射帶位于672 nm和798 nm之間，在波長(zhǎng)為710 nm處品質(zhì)因數(shù)FOM的

4、值達(dá)到3．17。這個(gè)值是目前所報(bào)道的在可見(jiàn)光區(qū)域中甚至是在整個(gè)光波段中最大的值。大量的模擬驗(yàn)證了只要通過(guò)簡(jiǎn)單地調(diào)諧縫隙間距就能夠很容易地獲得具有高透過(guò)率的不同的負(fù)折射帶。這是一種非常有效的在可見(jiàn)光區(qū)域?qū)崿F(xiàn)負(fù)折射的方法。另外，通過(guò)模擬銀中的誘導(dǎo)電流分布，揭示了材料結(jié)構(gòu)的振蕩機(jī)理。最后，設(shè)計(jì)一個(gè)楔型結(jié)構(gòu)證實(shí)了負(fù)折射行為。 （4）對(duì)稱π型陣列特異材料。數(shù)值模擬展示了這種結(jié)構(gòu)具有負(fù)折射特性。從S參數(shù)中，分別提取出折射率、波阻抗、有效電容

5、率和有效磁導(dǎo)率。從折射率特性曲線中，發(fā)現(xiàn)存在負(fù)折射率帶。此外，通過(guò)模擬在共振頻率附近處π型銅線中的電流分布，揭示了振蕩機(jī)理。 （5）對(duì)稱C型陣列特異材料。數(shù)值模擬展示了這種結(jié)構(gòu)具有非凡的電磁共振現(xiàn)象和負(fù)折射性質(zhì)。S參數(shù)頻率響應(yīng)曲線揭示了兩電磁共振現(xiàn)象。從提取折射率特性曲線中，發(fā)現(xiàn)高透過(guò)率的負(fù)折射帶大致位于兩個(gè)電磁共振峰之間。研究也發(fā)現(xiàn)：出現(xiàn)兩電磁共振現(xiàn)象的原因來(lái)自于C型環(huán)之間的磁耦合。通過(guò)改變C型環(huán)的尺寸，可以改變兩振蕩頻率的位

6、置，甚至使得兩個(gè)振蕩頻率出現(xiàn)二重簡(jiǎn)并。反過(guò)來(lái)，當(dāng)振蕩頻率簡(jiǎn)并時(shí)，通過(guò)改變C型環(huán)尺寸，可以使得振蕩頻率分裂，正是這種分裂帶來(lái)了負(fù)折射帶的展寬。 （6）改造的開(kāi)口環(huán)和金屬線陣列特異材料。通過(guò)對(duì)開(kāi)口環(huán)和金屬線陣列結(jié)構(gòu)的改造。使得每個(gè)單元由兩個(gè)分離的開(kāi)口環(huán)和一根金屬線構(gòu)成。數(shù)值模擬展示了這種結(jié)構(gòu)具有負(fù)折射現(xiàn)象。重要的是，只需簡(jiǎn)單地調(diào)節(jié)襯底A的位置，就可獲得不同的負(fù)折射帶，這些帶的疊加能夠得到更寬的負(fù)折射帶。所設(shè)計(jì)的這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)既靈活又

7、真正可調(diào)，有利于在微波器件中應(yīng)用。此外，通過(guò)分析開(kāi)口環(huán)中的電流和電荷分布解釋了襯底位于不同位置處影響折射率的原因。 （7）基于三層單元的一維周期性介質(zhì)。首先，根據(jù)有效波近似，推導(dǎo)出這種結(jié)構(gòu)的有效電容率和有效磁導(dǎo)率的表達(dá)式。并以三層周期性結(jié)構(gòu)為例，證實(shí)了這種結(jié)構(gòu)的負(fù)折射現(xiàn)象。值得注意的是，當(dāng)結(jié)構(gòu)單元的三層分別由單負(fù)型電容率介質(zhì)、單負(fù)型磁導(dǎo)率介質(zhì)和右手介質(zhì)構(gòu)成時(shí)，通過(guò)調(diào)諧右手介質(zhì)層的折射率或是厚度就很容易得到更多值的負(fù)折射率。因此，