阻抗匹配介電超常材料實(shí)現(xiàn)任意相位變換及器件應(yīng)用.pdf

1、超常材料是一種人工亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，因其擁有常規(guī)材料不具備的奇特的電磁特性成為研究熱點(diǎn)。變換光學(xué)理論的提出為實(shí)現(xiàn)超常材料從相位、路徑等方面靈活地操控電磁波提供了一個(gè)通用的方法和設(shè)計(jì)工具。利用超常材料可以設(shè)計(jì)出具有特殊電磁功能的新型光器件，如光束平移器、電磁場(chǎng)會(huì)聚器和偏振旋轉(zhuǎn)器等。
　　基于有限嵌入坐標(biāo)變換已提出的光分束器和偏折器，其功能的實(shí)現(xiàn)均依賴于不規(guī)整的器件外形，不易于集成。本文以變換光學(xué)為理論基礎(chǔ)，提出了一種反變換方法作為設(shè)計(jì)工具

2、，設(shè)計(jì)出平板變換介質(zhì)即超常材料來(lái)操控電磁波相位，實(shí)現(xiàn)波前的任意變換、偏振分束。并將二維的相位變換擴(kuò)展到三維坐標(biāo)下，利用所設(shè)計(jì)的介質(zhì)圓柱產(chǎn)生截面場(chǎng)分布可控的空心光束。具體開(kāi)展的工作如下：
　　1.研究利用阻抗匹配平板變換介質(zhì)操控相位變換實(shí)現(xiàn)偏折器和分束器?；诘裙獬淘恚覀兲岢隽朔醋儞Q方法來(lái)獲得外形平整的器件。根據(jù)空間變換，建立坐標(biāo)映射關(guān)系，得到阻抗匹配非磁性偏折器的材料參數(shù)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中,采用非線性的坐標(biāo)變換來(lái)實(shí)現(xiàn)阻抗的匹配，保

3、持色散關(guān)系不變獲得非磁性的變換介質(zhì)。在偏折器實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)兩正交的偏振態(tài)選擇偏轉(zhuǎn)不同的角度計(jì)算得到兩組參數(shù)，將其結(jié)合到一塊各向異性介質(zhì)板實(shí)現(xiàn)偏振分束。所設(shè)計(jì)的介質(zhì)板能有效的操控輸出光束的相位和偏轉(zhuǎn)方向，而不依賴于器件的外形。最后對(duì)所設(shè)計(jì)的器件進(jìn)行了全波仿真驗(yàn)證。本文提出的這種方法也適用于設(shè)計(jì)在光頻段具備全電介質(zhì)、無(wú)損和寬帶特點(diǎn)的器件。
　　2.研究基于三維相位變換，設(shè)計(jì)阻抗匹配的介質(zhì)圓柱有效地將入射波前轉(zhuǎn)換成任意波前，從而產(chǎn)生空

4、心光束的方法。利用反變換法，建立3D相位變換關(guān)系，得到平面波前變換成偏折波前的材料參數(shù)。利用此電磁材料操控出射光束的相位，產(chǎn)生發(fā)散和會(huì)聚的截面場(chǎng)分布呈單環(huán)的空心光束。該阻抗匹配變換介質(zhì)理論上是無(wú)反射的，有利于獲得非常高的轉(zhuǎn)換效率。在單環(huán)空心光束實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，將實(shí)現(xiàn)波前不同偏轉(zhuǎn)的兩組材料參數(shù)結(jié)合在同一介質(zhì)圓柱，得到了截面能流呈現(xiàn)雙環(huán)分布的空心光束，并用時(shí)域有限差分(finite-difference time-domain，F(xiàn)DTD)方法