人工電磁超材料波導(dǎo)的物理特性及其在光子器件上的應(yīng)用.pdf

1、人工電磁超材料是由亞波長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)單元周期性排列形成的等效介質(zhì)。它具有強(qiáng)大的調(diào)控電磁波的能力，不僅可以支持新奇的電磁效應(yīng)，如負(fù)折射、超分辨成像，還可以設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)電磁隱身、超高折射率、零折射率，極慢的光波傳輸?shù)?。在本論文中，我們深入挖掘超材料波?dǎo)的獨(dú)特性質(zhì)，并探究了超材料波導(dǎo)在光子器件方面的若干應(yīng)用。
　　首先，我們研究了左手性的超材料中傳播的電磁波的動(dòng)量問(wèn)題。介質(zhì)中電磁波的動(dòng)量問(wèn)題已經(jīng)飽受爭(zhēng)議長(zhǎng)達(dá)一個(gè)世紀(jì)。對(duì)于左手超材料中的動(dòng)量，人們甚

2、至還沒(méi)有搞清楚光動(dòng)量的方向。這里我們從宏觀的Maxwell方程出發(fā)，研究了左手介質(zhì)中的電磁場(chǎng)動(dòng)量。最終的計(jì)算結(jié)果表明，左手介質(zhì)中電磁波的動(dòng)量方向是與能流的方向一致，與波矢的方向相反的。計(jì)算結(jié)果還表明，我們的動(dòng)量理論與基本的物理規(guī)律，動(dòng)量守恒和能量守恒定律相吻合。
　　接下來(lái)，我們研究了厚度漸變的超材料慢光波導(dǎo)中的光波傳輸問(wèn)題。通過(guò)調(diào)節(jié)超材料波導(dǎo)的厚度到一個(gè)關(guān)鍵厚度，波導(dǎo)中的模式的群速度可以達(dá)到零。因?yàn)椴煌墓忸l率對(duì)應(yīng)不同的關(guān)鍵厚度

3、，一篇發(fā)表于Nature上的論文認(rèn)為厚度漸變的慢光波導(dǎo)可以把不同頻率的光停止在不同的關(guān)鍵厚度處，形成所謂的“靜止彩虹”效應(yīng)。但我們的研究發(fā)現(xiàn)，在關(guān)鍵厚度附近，前向模和后向模接近簡(jiǎn)并，相互之間非常容易耦合。這種模式之間的耦合，會(huì)導(dǎo)致入射的能量被完全地反射回來(lái)，使光不可能完全停留在關(guān)鍵厚度處。不過(guò)，在這種波導(dǎo)里，光的傳播速度確實(shí)被顯著減小，光的傳播時(shí)間被大大延長(zhǎng)。
　　在理論研究之后，我們還嘗試著利用超材料波導(dǎo)的獨(dú)特性質(zhì)，設(shè)計(jì)出若干光

4、子器件。
　　我們?cè)O(shè)計(jì)了嵌有兩個(gè)橢圓形金屬納米顆粒的介質(zhì)波導(dǎo)。兩個(gè)金屬納米顆粒分別工作在亮態(tài)和暗態(tài)上。它們之間的近場(chǎng)耦合使得波導(dǎo)的透射譜出現(xiàn)類似于量子系統(tǒng)中出現(xiàn)的電磁感應(yīng)透明現(xiàn)象。
　　我們還研究了由雙曲超材料形成的單個(gè)波導(dǎo)和耦合波導(dǎo)的模式特性。研究發(fā)現(xiàn)，雙曲超材料形成的波導(dǎo)可以支持折射率超高的波導(dǎo)模式。利用這種高折射率性質(zhì)，我們用兩根波導(dǎo)耦合形成溝槽結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了極大的光場(chǎng)增強(qiáng)和光力增強(qiáng)。
　　我們用損耗強(qiáng)各向異性的超