雙負材料與單負材料的線性和非線性響應(yīng).pdf

1、雙負材料是指介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時為負的材料。因為電磁波在其中傳播時，電場((E))、磁場((H))和波矢((k))滿足左手螺旋定則，經(jīng)常又被稱為左手材料。近幾年中，對雙負材料的特殊性質(zhì)的研究已經(jīng)成為在人工復(fù)合材料研究領(lǐng)域中的熱點。相應(yīng)的，介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時為正的材料被稱為右手材料，即電磁波在其中傳播時，電場((E))、磁場((H))和波矢((k))滿足右手螺旋定則。一般的電介質(zhì)材料都是右手材料。單負材料，顧名思義，其介電常數(shù)和磁導(dǎo)率中

2、僅有一個為負值而另一個為正值。若磁導(dǎo)率為負值，介電常數(shù)為正值，此單負材料稱為磁負材料；反之，若介電常數(shù)為負值，磁導(dǎo)率為正值，則此單負材料稱為電負材料。由于單負材料自身的一些特殊性質(zhì)，它們也受到了廣泛的關(guān)注。 本文著重研究了由雙負材料和單負材料組成的一維體系的線性性質(zhì)和非線性性質(zhì)。文章主要內(nèi)容為： 一、由單負材料構(gòu)成的雙層結(jié)構(gòu)與雙負材料的等價性研究 我們使用有效媒質(zhì)方法研究了由單負材料組成的雙層結(jié)構(gòu)的等效物理性質(zhì)。

3、在|klz|dl〈〈l的條件下，我們率先推導(dǎo)出有效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率張量的六個張量元的解析表達形式。理論研究表明，這種單負材料組成的雙層結(jié)構(gòu)可以等效為一塊單軸各向異性材料。而且，在頻率范圍為(4×109rad／s，4．714×109rad／s)的區(qū)間內(nèi)體系可以展現(xiàn)負折射現(xiàn)象。同時，我們也詳細的分析了各頻段上雙層結(jié)構(gòu)的折射性質(zhì)和截止情況。最后，本文研究了雙層結(jié)構(gòu)對衰減波的放大性質(zhì)以及它激發(fā)的表面等離激元。結(jié)果表明，雙層結(jié)構(gòu)能在界面上激發(fā)表面

4、等離激元，從而很有效的放大衰減波，這進一步證明了雙層結(jié)構(gòu)可以等效為雙負材料的論斷。 二、由各向異性雙負材料組成的一維光-Z晶體的全方向反射 我們研究了由各向異性雙負材料和右手材料組成的一維光子晶體的色散關(guān)系、透射性質(zhì)和在m=O帶隙中的全方向反射區(qū)的性質(zhì)。我們首先利用傳輸矩陣方法解析推導(dǎo)出了這個一維周期性結(jié)構(gòu)的色散關(guān)系，預(yù)測出m=O帶隙與在各向同性雙負材料和右手材料組成的一維光子晶體中的萬=0帶隙非常相似。當(dāng)體系的每層材料

5、的厚度發(fā)生放縮或厚度有一定的起伏，它也具有很強的穩(wěn)定性。我們利用有效媒質(zhì)方法討論了TE波和TM波在各種不同的系數(shù)選取情況下，在m=O帶隙中全反射區(qū)域的邊界，。并且分析了頻譜中不同區(qū)域的截止性質(zhì)。最后，我們預(yù)測出在這個由各向異性雙負材料和右手材料組成的一維光子晶體中，可以產(chǎn)生一個完全反射區(qū)域，在這個區(qū)域內(nèi)，任何角度入射的TE波或TM波都不能透過。 三、由單負材料組成的一維體系的非線性響應(yīng) 本文研究了由單負材料組成的一維結(jié)構(gòu)

6、(周期性結(jié)構(gòu)和缺陷結(jié)構(gòu))的非線性響應(yīng)性質(zhì)。在周期性結(jié)構(gòu)中，我們將單負結(jié)構(gòu)中獨有的Zero一φ帶隙和Bragg帶隙的情況進行比較，得到由單負材料組成的周期性結(jié)構(gòu)所特有的非線性性質(zhì)。通過計算電磁波的透射系數(shù)、電場分布和相位變化，發(fā)現(xiàn)在Bragg帶隙附近，電磁波的性質(zhì)強烈依賴于入射角度、體系中材料的厚度的放縮和體系的損耗。而相反的在zero一φ帶隙區(qū)域，電磁波特性展示了它很好的穩(wěn)定性。 我們還進一步研究由單負材料組成的對稱和非對稱缺陷