零折射率材料的性質(zhì)與應(yīng)用研究.pdf

1、近年來，具有天然材料所不具備的超常電磁性質(zhì)的人工電磁材料引起了電磁學(xué)、光學(xué)和材料學(xué)等領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。零折射率材料（Zero-index media，ZIM）是一類介電常數(shù)/磁導(dǎo)率趨于零的新型人工電磁材料，在ZIM中的電磁波會(huì)表現(xiàn)出無窮大的波長(zhǎng)、均勻場(chǎng)等重要性質(zhì)，這些特性為 ZIM帶來了一些獨(dú)特的應(yīng)用，如設(shè)計(jì)高指向性輻射天線、設(shè)計(jì)完美的狹窄波導(dǎo)等。ZIM因其獨(dú)特的性質(zhì)和應(yīng)用也越來越受到研究人員的重視。本文將對(duì) ZIM的基本性質(zhì)、重要應(yīng)用及

2、設(shè)計(jì)方法展開討論，具體內(nèi)容如下：
　　一、ZIM的基本性質(zhì)及其透射系數(shù)
　　我們討論了ZIM的分類、基本性質(zhì)和電磁波在不同類型ZIM平板上的透射系數(shù)。首先，為了便于研究，我們將 ZIM大體上分為只有介電常數(shù)或磁導(dǎo)率趨于零的單零ZIM和介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)趨于零的雙零 ZIM，兩者可進(jìn)一步分為各向同性的零折射率材料（Isotropiczero index media，IZIM）和各向異性的零折射率材料（Anisotropicz

3、ero index media，AZIM），由于AZIM的等頻率曲線可以是橢圓形的、雙曲線形的以及其它形狀的，我們分別稱它們?yōu)闄E圓型AZIM、雙曲型AZIM和不常見的其它類型的AZIM。
　　進(jìn)一步地，我們討論了不同類型ZIM的基本性質(zhì)，以及電磁波在IZIM平板和雙曲型AZIM平板上的透射系數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，在正入射下，單零IZIM平板的透射系數(shù)會(huì)隨其厚度的增加而減小，而雙零IZIM的透射系數(shù)始終趨于1，且與雙零IZIM的厚度和阻抗無

4、關(guān)；在斜入射下，單零和雙零IZIM只存在對(duì)應(yīng)于布儒斯特角的全透射峰，且對(duì)應(yīng)的入射角非常小，而雙曲型 AZIM的布儒斯特角不一定存在，但有趣的是，F(xiàn)abry-Pérot共振會(huì)在大角度處引起一系列的全透射峰。
　　二、IZIM中的缺陷對(duì)其透射性質(zhì)的影響以及電磁波滲流現(xiàn)象
　　我們研究了缺陷對(duì)二維和三維IZIM的透射性質(zhì)的影響。對(duì)于二維模型，我們主要分析了多層環(huán)狀缺陷的影響。研究發(fā)現(xiàn)，缺陷的多層環(huán)狀殼層在特定情況下可以阻礙電磁波滲

5、入到缺陷核心，同時(shí)保持電磁波在IZIM體系中的全透射，從而實(shí)現(xiàn)一維的電磁隱身。而當(dāng)缺陷核心中出現(xiàn)共振時(shí)，透射譜線中會(huì)出現(xiàn)法諾共振線形，此時(shí)，缺陷核心的參數(shù)即使發(fā)生微小變化也會(huì)引起法諾共振線形的位置的巨大變化。進(jìn)一步地，我們提出了利用含電介質(zhì)缺陷的二維IZIM或AZIM來實(shí)現(xiàn)等效完美磁導(dǎo)體（Perfect magnetic conductor，PMC）的一種新方法，有趣的是，電介質(zhì)缺陷和IZIM或AZIM的形狀都可以是任意的。
　　

6、對(duì)于三維模型，我們討論了無序缺陷的影響。研究發(fā)現(xiàn)其物理性質(zhì)完全不同于二維模型的性質(zhì)。在三維模型中，缺陷是否具有長(zhǎng)程連通性而非缺陷的具體的性質(zhì)對(duì)透射系數(shù)有著至關(guān)重要的影響，基于此，我們首次發(fā)現(xiàn)并提出了電磁波滲流現(xiàn)象，我們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，由于電磁波的矢量波本性，電磁波滲流現(xiàn)象是一種不同于普通滲流現(xiàn)象的異常滲流現(xiàn)象。
　　三、AZIM的電磁能流調(diào)控效應(yīng)及其在波導(dǎo)器件中的應(yīng)用
　　我們首先提出了一種基于非均勻AZIM實(shí)現(xiàn)電磁能流任意調(diào)控

7、的新方法，以往電磁能流調(diào)控的方法是基于對(duì)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的同時(shí)調(diào)控，而這里是基于對(duì)電場(chǎng)或磁場(chǎng)的調(diào)控來實(shí)現(xiàn)的，且這種調(diào)控既可以是在波長(zhǎng)尺度上的，也可以是在亞波長(zhǎng)尺度上的。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電磁波沿著電磁參數(shù)為零的方向傳播時(shí)，AZIM的非均勻性會(huì)誘導(dǎo)沿垂直方向傳播的衰逝波，并將電磁能流重新分配，使得非均勻 AZIM的阻抗具有平均效應(yīng)，進(jìn)而保證了電磁波在非均勻AZIM中具有穩(wěn)健的高透射率?；谶@種電磁能流調(diào)控的新方法，我們提出了電磁能流的聚焦、隱身和亞波

8、長(zhǎng)調(diào)控等應(yīng)用。進(jìn)一步地，我們結(jié)合了變換光學(xué)理論，設(shè)計(jì)并解釋了一系列近乎完美的波導(dǎo)器件，如不規(guī)則的直波導(dǎo)、彎波導(dǎo)和不規(guī)則的彎波導(dǎo)等。最后，我們?cè)诜蔷鶆驈?qiáng)各向異性高折射率材料（Anisotropic high-index media，AHIM）中同樣實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁能流的任意調(diào)控，并指出電磁能流的調(diào)控效應(yīng)源于材料的強(qiáng)各向異性和非均勻性。
　　四、ZIM的設(shè)計(jì)方法
　　我們首先簡(jiǎn)要介紹了ZIM的幾種重要的設(shè)計(jì)方法。其次，基于電介質(zhì)光子晶

9、體，我們?cè)O(shè)計(jì)了低損耗的單零IZIM，研究發(fā)現(xiàn)，電介質(zhì)光子晶體在一些頻率下可以看作是介電常數(shù)接近零的單零IZIM，而在另一些特定頻率下還可以看作是磁導(dǎo)率接近零的單零IZIM。最后，我們討論了利用金屬-電介質(zhì)多層膜實(shí)現(xiàn)的ZIM的性質(zhì)，研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于橫電（Transverse electric，TE）波，該多層膜可以看作是介電常數(shù)接近零的單零IZIM；而對(duì)于橫磁（Transverse magnetic，TM）波，該多層膜則不能被看作是介電常數(shù)

10、接近零的ZIM，這是因?yàn)榻饘俸碗娊橘|(zhì)界面上的表面等離激元可能被TM波激發(fā)，從而引起強(qiáng)的非局域效應(yīng)，我們通過進(jìn)一步的研究指出，借助這種非局域效應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)全角度負(fù)折射和亞波長(zhǎng)成像。
　　五、介電常數(shù)/磁導(dǎo)率虛部起主導(dǎo)作用的材料的性質(zhì)與應(yīng)用
　　理想的 ZIM的介電常數(shù)?/磁導(dǎo)率?需要滿足????Im，Re,0??????，即?或/和?的虛部和實(shí)部趨同時(shí)于零。特殊地，如果?或/和?的虛部比較大，即滿足????Im，Re,0???

11、????，那么這類特殊材料的性質(zhì)將主要取決于?或/和?的虛部。具體地，我們將這類特殊材料分為兩類討論，第一類滿足Im??,????1，第二類滿足Im??,????1，研究發(fā)現(xiàn)，前者的性質(zhì)與理想ZIM的性質(zhì)會(huì)有很大的區(qū)別，而后者相當(dāng)于存在損耗或增益的ZIM，其性質(zhì)部分繼承了理想ZIM的性質(zhì)。
　　基于這類特殊材料提出了設(shè)計(jì)超薄的完美吸收薄膜和抗反膜的統(tǒng)一理論，該統(tǒng)一理論針對(duì)只有電場(chǎng)或只有磁場(chǎng)在薄膜中為常數(shù)的情形。研究發(fā)現(xiàn)，滿足???

12、?Im，Re,0???????的薄膜材料在某些情形下能夠完美吸收電磁波，而在另一些情形下能夠起到抗反膜的作用，且吸收型和增益型的薄膜都可用于抗反膜，而這兩種類型的抗反膜會(huì)在TM波的布儒斯特角處發(fā)生轉(zhuǎn)變。進(jìn)一步的研究表明，若Im?????1，這類薄膜可以利用低頻下的導(dǎo)電薄膜實(shí)現(xiàn)，且只要導(dǎo)電薄膜的表面電阻大小合適就可以實(shí)現(xiàn)超寬頻的相干完美吸收和抗反膜，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)上證實(shí)了這些結(jié)果，并利用導(dǎo)電薄膜在寬頻、寬角度范圍內(nèi)消除了電介質(zhì)平板中的 Fab

13、ry-Pérot共振，并改善了電介質(zhì)殼層包裹的天線的輻射特性。而當(dāng)Im??,????1，這類材料相當(dāng)于帶有損耗的ZIM，在斜入射下可以實(shí)現(xiàn)完美吸收或抗反射。
　　最后，我們將這類特殊材料拓展到聲學(xué)和彈性波領(lǐng)域，并利用超薄的彈性波吸收薄膜實(shí)現(xiàn)對(duì)彈性波的完美吸收。研究發(fā)現(xiàn)，要設(shè)計(jì)超薄、超寬頻的完美吸收薄膜，薄膜的質(zhì)量密度需要為純虛數(shù)且反比于頻率?；诖?，我們提出了損耗彈性波超材料的簡(jiǎn)單模型，且有效質(zhì)量密度能夠滿足上述要求，這為實(shí)現(xiàn)超薄