新型人工電磁媒質(zhì)中透射及耦合機理的研究.pdf

1、眾所周知，這個世界上所有的媒質(zhì)都是由原子構(gòu)成的。原則上，不存在一個均勻的媒質(zhì)，甚至連真空也不是均勻的。但是我們平時還是把很多物質(zhì)看成是一個均勻媒質(zhì)。比如，我們把水看成是一個連續(xù)并且均勻的液體，利用伯努利方程來求解水中行走的船體的受力問題。我們還把玻璃看作是一個均勻的媒質(zhì)，來研究光線在玻璃中的傳播問題，以及計算反射率等。我們能夠這樣做的原因是由于我們所關心的現(xiàn)象的尺度，對于電磁系統(tǒng)則是在這種媒質(zhì)中的波長，已經(jīng)遠遠大于構(gòu)成這個媒質(zhì)的原子的尺

2、度，所以在原子尺度范疇上的一些細節(jié)就能被忽略，只需要考慮一些在整體尺度上具有的效應。
　　當然，在某些情況下，即使構(gòu)成物質(zhì)的原子非常小，但我們還是不得不考慮某些坐標點與其他坐標點上的區(qū)別。比如在金屬體(bulk)內(nèi)，由于每個點在能對其發(fā)生電磁影響的尺度上，都具有反演對稱性，其二階非線性系數(shù)是不存在的。但是在金屬表面附近，由于沒有反演對稱性的存在，其二階非線性系數(shù)是不為零的。這是由于對稱性是物體的一個非常重要的性質(zhì)，對于能對對稱性起

3、決定因素的細節(jié)，我們不能簡單地把它進行平均化或者忽視掉。這里需要說明的是，開口共振環(huán)(Split-Ring Resonator，SRR)的磁性的存在就是由于這個結(jié)構(gòu)的幾何對稱性被“裂口”所打破了，所以在大尺度的范圍上，這種結(jié)構(gòu)導致的性質(zhì)是能夠被表現(xiàn)出來的。
　　如果我們將原子這個概念擴充開來，把具有微結(jié)構(gòu)的單元也看作為人造原子的話，我們就能夠如同和上帝一樣，對材料所具有的物性進行任意地調(diào)控，使得滿足我們的需求。當然，這里的“任意”

4、還是言過其實了，它必須在滿足自然規(guī)律的范疇內(nèi)才能夠被實現(xiàn)。電磁特異介質(zhì)材料(metamaterial)就是這種電磁性質(zhì)被拓展了的人工材料?；诘刃劫|(zhì)(effective medium)的概念，電磁特異介質(zhì)材料的研究和設計取得了重大的進展。在第一章中，我們首先簡單地回顧下電磁特異介質(zhì)材料的發(fā)展歷史，然后我們再來看一下，在發(fā)展過程中的幾個典型的工作和進展。
　　在第二章，我們將會展示，金屬波導在橫電(TE)極化下，其表現(xiàn)為一個電等離

5、子體共振形式，而在橫磁(TM)極化下，其表現(xiàn)為一個磁等離子體共振形式。我們通過在波導里放入一些各向異性的電(磁)共振體，發(fā)現(xiàn)在截止頻率以下，存在著奇異高透現(xiàn)象。我們發(fā)現(xiàn)有兩種不同的機理能夠?qū)е逻@種奇異的高透現(xiàn)象，我們的理論預言和微波實驗以及有限差分時域(finite-difference-time-domain，F(xiàn)DTD)模擬的結(jié)果是完美符合的。
　　在第三章，我們將建立一套具有普適應用范圍的緊束縛理論(tight-binding

6、method，TBM)來對電磁特異介質(zhì)的耦合問題進行研究。理論中所涉及的所有參數(shù)都可以通過第一性原理(first principle)計算來得到。我們的理論不僅能研究由電介質(zhì)構(gòu)成的光子晶體，而且也能研究由磁性材料構(gòu)成的光子晶體。作為一個例子，我們將理論應用到被放入電或者磁共振結(jié)構(gòu)的波導中。我們不僅能對兩個電磁特異介質(zhì)共振體的耦合強度進行精確地計算，而且還發(fā)現(xiàn)了很多由于耦合而引起的奇異現(xiàn)象。我們的緊束縛理論的預言和實驗，以及全波數(shù)字模擬得