人工電磁材料的光學(xué)特性及應(yīng)用研究.pdf

1、人工電磁材料是本世紀(jì)初物理學(xué)和電磁學(xué)的重要發(fā)現(xiàn)之一。其介電常數(shù)和磁導(dǎo)率可以根據(jù)需要人為調(diào)節(jié)，所以在光電子、通信等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用前景。本論文通過理論分析和數(shù)值模擬，分析光在人工電磁材料中傳播時(shí)表現(xiàn)出一些非同尋常的特性，并基于超常設(shè)計(jì)了一種窄帶微龍伯透鏡。全文共分為六章，全文的具體內(nèi)容包括：
　　 (1)本論文首先介紹了人工電磁材料的研究背景和當(dāng)前國內(nèi)外該領(lǐng)域內(nèi)的研究進(jìn)展。其次，對光學(xué)變換方法和常用的人工電磁材料設(shè)計(jì)的全波

2、仿真方法作了簡單介紹；最后，對人工電磁材料在各領(lǐng)域的應(yīng)用作了簡單的介紹。
　　 (2)分析了各向異性人工電磁材料板對傍軸光束的變換特性。基于傍軸理論和角譜分析的方法，導(dǎo)出了TE和TM偏振傍軸光束在各向異性人工電磁材料中的傳輸公式，并引入有效折射率的概念。應(yīng)用有效折射率的定義，我們獲得了傍軸光束在各向異性人工電磁材料中傳播和截止的條件，并分別討論了TE和TM偏振傍軸光束在各向異性人工電磁材料中的傳播行為。我們發(fā)現(xiàn)只要選擇人工電磁

3、材料的各向異性參數(shù)的適當(dāng)符號，人工電磁材料就可以用來制作性能良好的偏振片或偏振分離器，并且在一定條件下展現(xiàn)出選擇性聚焦的特性。我們導(dǎo)出了光在各向異性人工電磁材料表面反射的表達(dá)式，基于這些表達(dá)式得到了高斯光束反射時(shí)的角移。
　　 (3)利用折射定律獲得了傍軸近似條件下左手材料平板透鏡的成像公式和ABCD矩陣，然后由ABCD定律導(dǎo)出了高斯光束在左手材料平板透鏡內(nèi)部和像空間的傳輸公式。通過對高斯光束傳輸公式的分析，我們發(fā)現(xiàn)無論是左手

4、材料的內(nèi)焦點(diǎn)還是在像空間的外焦點(diǎn)，高斯光束的束腰半徑都和物空間的束腰半徑大小一致，也就是說傍軸條件下的左手材料板對高斯光束實(shí)際上是沒有聚焦效應(yīng)的，它只是對高斯光束作了自再現(xiàn)變換。同時(shí)，我們還發(fā)現(xiàn)像方高斯光束束腰的位置和幾何光學(xué)預(yù)言的成像位置是完全一致的，即平板左手材料透鏡對傍軸光束的聚焦不存在一般透鏡聚焦的焦移現(xiàn)象。
　　 (4)基于洛侖茲定律導(dǎo)出了TE和TM偏振波在左手材料中的輻射力的解析表達(dá)式，并采用數(shù)值模擬的方法獲得了有

5、限束寬的TE和TM偏振高斯光束在左手材料中的輻射力的分布。理論和數(shù)值結(jié)果都表明有限束寬的TE和TM偏振光在左手材料中產(chǎn)生的橫向輻射力方向與右手材料中的方向相反，即TE偏振光束產(chǎn)生擴(kuò)張的橫向輻射力而TM偏振光束產(chǎn)生壓縮的橫向輻射力。
　　 (5)我們提供了一種利用梯度折射率人工電磁材料來制作龍伯透鏡的簡單設(shè)計(jì)方案。這種設(shè)計(jì)方案里的人工電磁材料選用金金屬棒構(gòu)成，金屬棒的高度是可調(diào)的。對于給定焦距的龍伯透鏡，我們可以用光線追跡的方法