零折射率材料的性質(zhì)與應用研究.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、光學和材料學等領(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)/磁導率趨于零的新型人工電磁材料，在ZIM中的電磁波會表現(xiàn)出無窮大的波長、均勻場等重要性質(zhì)，這些特性為 ZIM帶來了一些獨特的應用，如設(shè)計高指向性輻射天線、設(shè)計完美的狹窄波導等。ZIM因其獨特的性質(zhì)和應用也越來越受到研究人員的重視。本文將對 ZIM的基本性質(zhì)、重要應用及

2、設(shè)計方法展開討論，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)或磁導率趨于零的單零ZIM和介電常數(shù)和磁導率同時趨于零的雙零 ZIM，兩者可進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只存在對應于布儒斯特角的全透射峰，且對應的入射角非常小，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共振會在大角度處引起一系列的全透射峰。
　　二、IZIM中的缺陷對其透射性質(zhì)的影響以及電磁波滲流現(xiàn)象
　　我們研究了缺陷對二維和三維IZIM的透射性質(zhì)的影響。對于二維模型，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，同時保持電磁波在IZIM體系中的全透射，從而實現(xiàn)一維的電磁隱身。而當缺陷核心中出現(xiàn)共振時，透射譜線中會出現(xiàn)法諾共振線形，此時，缺陷核心的參數(shù)即使發(fā)生微小變化也會引起法諾共振線形的位置的巨大變化。進一步地，我們提出了利用含電介質(zhì)缺陷的二維IZIM或AZIM來實現(xiàn)等效完美磁導體（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，缺陷是否具有長程連通性而非缺陷的具體的性質(zhì)對透射系數(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)控效應及其在波導器件中的應用
　　我們首先提出了一種基于非均勻AZIM實現(xiàn)電磁能流任意調(diào)控

7、的新方法，以往電磁能流調(diào)控的方法是基于對電場和磁場的同時調(diào)控，而這里是基于對電場或磁場的調(diào)控來實現(xiàn)的，且這種調(diào)控既可以是在波長尺度上的，也可以是在亞波長尺度上的。研究發(fā)現(xiàn)，當電磁波沿著電磁參數(shù)為零的方向傳播時，AZIM的非均勻性會誘導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，進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、長調(diào)控等應用。進一步地，我們結(jié)合了變換光學理論，設(shè)計并解釋了一系列近乎完美的波導器件，如不規(guī)則的直波導、彎波導和不規(guī)則的彎波導等。最后，我們在非均勻強各向異性高折射率材料（Anisotropic high-index media，AHIM）中同樣實現(xiàn)對電磁能流的任意調(diào)控，并指出電磁能流的調(diào)控效應源于材料的強各向異性和非均勻性。
　　四、ZIM的設(shè)計方法
　　我們首先簡要介紹了ZIM的幾種重要的設(shè)計方法。其次，基于電介質(zhì)光子晶

9、體，我們設(shè)計了低損耗的單零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)多層膜實現(xiàn)的ZIM的性質(zhì)，研究發(fā)現(xiàn)，對于橫電（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，這是因為金屬和電介質(zhì)界面上的表面等離激元可能被TM波激發(fā)，從而引起強的非局域效應，我們通過進一步的研究指出，借助這種非局域效應，可以實現(xiàn)全角度負折射和亞波長成像。
　　五、介電常數(shù)/磁導率虛部起主導作用的材料的性質(zhì)與應用
　　理想的 ZIM的介電常數(shù)?/磁導率?需要滿足????Im，Re,0??????，即?或/和?的虛部和實部趨同時于零。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)會有很大的區(qū)別，而后者相當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)一理論針對只有電場或只有磁場在薄膜中為常數(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在TM波的布儒斯特角處發(fā)生轉(zhuǎn)變。進一步的研究表明，若Im?????1，這類薄膜可以利用低頻下的導電薄膜實現(xiàn)，且只要導電薄膜的表面電阻大小合適就可以實現(xiàn)超寬頻的相干完美吸收和抗反膜，我們在實驗上證實了這些結(jié)果，并利用導電薄膜在寬頻、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Im??,????1，這類材料相當于帶有損耗的ZIM，在斜入射下可以實現(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和彈性波領(lǐng)域，并利用超薄的彈性波吸收薄膜實現(xiàn)對彈性波的完美吸收。研究發(fā)現(xiàn)，要設(shè)計超薄、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?；诖耍覀兲岢隽藫p耗彈性波超材料的簡單模型，且有效質(zhì)量密度能夠滿足上述要求，這為實現(xiàn)超薄