基于單向性效應(yīng)和變換光學(xué)的電磁波調(diào)控研究.pdf

1、小型化、集成化是光通信器件和子系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。然而，光子回路中因制備帶來的缺陷所引起的信號(hào)反射和散射，嚴(yán)重阻礙了光子器件的大規(guī)模集成化。最近國際上開始關(guān)注這一問題，并利用時(shí)間反演對稱破缺機(jī)制設(shè)計(jì)出信號(hào)隔離度高、散射免疫性強(qiáng)的非互易單向波導(dǎo)。但是，這些單向波導(dǎo)表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制備困難等問題。本論文利用時(shí)間反演對稱破缺機(jī)制，設(shè)計(jì)了一類結(jié)構(gòu)簡單的非互易單向波導(dǎo)。同時(shí)，對單向電磁模的溫度穩(wěn)定性、散射免疫性、外場可調(diào)諧性以及非線性可控性等電磁

2、波單向調(diào)控問題進(jìn)行深入的研究。
　　此外，伴隨著超穎材料技術(shù)的發(fā)展，人們還可以實(shí)現(xiàn)電磁波的全空間調(diào)控：如電磁隱身、電磁黑洞、電磁波分束和耦合等。基于此，利用變換光學(xué)和超穎材料，本論文還深入研究了電磁超散射、超吸收、外部隱身衣、高定向性天線和電磁“穿墻術(shù)”等電磁波全空間調(diào)控問題。同時(shí)，我們還利用傳輸線人工介質(zhì)制備了電磁“穿墻術(shù)”裝置，并首次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其寬頻特性。
　　本論文的完成受到了教育部科學(xué)技術(shù)研究重大項(xiàng)目培育基金和國家自

3、然科學(xué)基金的資助。具體的研究內(nèi)容如下：
　　1.基于對稱結(jié)構(gòu)的磁性光子晶體單向波導(dǎo)研究
　　利用時(shí)間反演對稱破缺機(jī)制，提出了一種新型非互易單向光子晶體波導(dǎo)，研究了單向邊緣模的非互易調(diào)控特性。
　　1)設(shè)計(jì)了對稱結(jié)構(gòu)的非互易單向光子晶體波導(dǎo)，得到了在一對正反向磁場作用下不受散射體影響的單向邊緣模。
　　2)研究了單向邊緣模的時(shí)間反演現(xiàn)象：發(fā)現(xiàn)在外磁場方向改變時(shí)，系統(tǒng)的邊緣模發(fā)生了時(shí)間反演現(xiàn)象。
　　3)討論了

4、非互易單向邊緣模對溫度變化的寬容性，其結(jié)果表明溫度在233k-333k之間時(shí)，該單向邊緣模幾乎不受溫度變化的影響。
　　2.光子帶間非互易(單向)躍遷的非線性效應(yīng)研究
　　研究了非線性調(diào)制效應(yīng)對光子帶間非互易單向躍遷行為的影響。非線性兩模方程的數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明：當(dāng)非線性效應(yīng)很弱時(shí)，只影響光子非互易躍遷的周期，而當(dāng)非線性效應(yīng)很強(qiáng)時(shí)將發(fā)生部分的非互易躍遷或者不發(fā)生躍遷。
　　3.電磁波全空間調(diào)控中的電磁超散射和超吸收研究<

5、br>　　利用變換光學(xué)和折疊幾何原理，研究了橢圓、偏心和無規(guī)則的電磁超散射和超吸收，并將電磁超散射應(yīng)用于兩段分離的波導(dǎo)連接。
　　4.電磁波全空間調(diào)控中的外部隱身和高定向性天線研究
　　1)基于變換光學(xué)結(jié)合補(bǔ)償介質(zhì)和移動(dòng)介質(zhì)，分別設(shè)計(jì)了兩類外部隱身衣。
　　其共同點(diǎn)是，被隱藏的物體可以看到外界，而外界卻看不到被隱藏的物體。區(qū)別在于，補(bǔ)償介質(zhì)隱身衣需要“反”物質(zhì)，而移動(dòng)介質(zhì)隱身衣不依賴于“反”物質(zhì)。
　　2）利用補(bǔ)

6、償介質(zhì)，設(shè)計(jì)了可移動(dòng)的高定向性天線和可旋轉(zhuǎn)的高定向性天線。同時(shí)，基于移動(dòng)介質(zhì)，研究了光學(xué)重疊效應(yīng)以及天線信號(hào)放大器。
　　5.電磁場分布的全空間調(diào)控研究
　　基于嵌入光學(xué)變換，研究了二維空間電磁場分布的全空間調(diào)控。
　　1)利用嵌入光學(xué)變換，研究了點(diǎn)源場分布在二維空間的壓縮和拉伸調(diào)控。基于此，本論文設(shè)計(jì)了兩類材料參數(shù)簡單的層狀無損耗連接器。同時(shí)，本論文還首次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了二維寬頻電磁“穿墻術(shù)”這一奇特的現(xiàn)象。
　　2