異向介質(zhì)的均勻化理論及電磁波傳輸特性的研究.pdf

1、異向介質(zhì)是人工介電概念的延展，如果入射電磁波長遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于異向介質(zhì)的特征尺度（一般來說是晶格常數(shù)），那么異向介質(zhì)可以看成均勻介質(zhì)，并且可以用材料的有效介電常數(shù)和有效磁導(dǎo)率來描述介質(zhì)的性質(zhì)。異向介質(zhì)具有本構(gòu)材料所不具備的性質(zhì)，這類性質(zhì)一般在自然界材料中并不具備。一般異向介質(zhì)的研究集中于研究其特殊的性質(zhì)，均勻化過程以及材料的制備。本論文首先研究具有負(fù)折射率的異向介質(zhì)的特殊性質(zhì)，然后給出一般的異向介質(zhì)的均勻化理論，并對特殊結(jié)構(gòu)的異向介質(zhì)進(jìn)行均勻化

2、。最后，利用雙元納米技術(shù)，理論研究制備負(fù)折射率異向介質(zhì)的條件。
　　本文研究了特殊結(jié)構(gòu)的異向介質(zhì)中電磁波的性質(zhì)。首先研究了常規(guī)非線性材料與左手介質(zhì)界面處的電磁波性質(zhì)。給出了左手介質(zhì)與常規(guī)非線性材料界面處的電磁波的反射和透射系數(shù)的解析表達(dá)式，并對非線性介質(zhì)為自散焦非線性介質(zhì)的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值計算。分析了入射角度、入射光強(qiáng)、兩種材料的磁導(dǎo)率比以及電磁模式對界面處電磁波傳輸性質(zhì)的影響。其次，從波動方程出發(fā)，分析了中間層是線性左手介質(zhì)的三層非

3、線性非Kerr型平板波導(dǎo)的TE模的解析形式，給出了普適的色散關(guān)系，并推導(dǎo)出各層波導(dǎo)的模場分布和功率分布的解析表達(dá)式。然后，對各向異性的異向介質(zhì)，研究了單軸及雙軸各向異性介質(zhì)中的色散性質(zhì)。發(fā)現(xiàn)對于介電主值為負(fù)的單軸介電，介電主值為負(fù)的雙軸介電以及介電主值為零的單軸介電與雙軸介電，在某些頻率段，若波矢和晶體光學(xué)主軸間的夾角滿足一定的條件，則介質(zhì)中的異常波的相速度會變得很慢。最后，研究雙各向異性異向介質(zhì)的表面波特性。發(fā)現(xiàn)在特殊情況下，在普通的

4、各向同性介質(zhì)和雙各向異性左手介質(zhì)的界面處，TE表面模式和TM表面模式可以并存，并且計算了表面模式的坡印亭矢量和能量密度。TE表面模式或TM表面模式的時間平均坡印亭矢量與模式相速度的方向依賴于系統(tǒng)參數(shù)，或是相反或是相同。研究表明，雙各向異性左手介質(zhì)中的表面波性質(zhì)與在各向同性左手介質(zhì)中的表面波性質(zhì)顯著不同。
　　利用穩(wěn)態(tài)相位法分別給出了空氣-弱吸收正折射率介質(zhì)和空氣-弱吸收負(fù)折射率介質(zhì)界面處反射束與透射束的Goos-Hanchen位移

5、的解析表達(dá)式，研究了介電常數(shù)和磁導(dǎo)率對Goos-Hanchen位移的影響。對光軸垂直于界面和平行于界面的單軸左手介質(zhì)表面的Goos-Hanchen位移進(jìn)行研究，利用菲涅爾近似的方法給出了在臨界角附近的Goos-Hanchen位移表達(dá)式。
　　同時考慮頻率色散和空間色散效應(yīng)，采用偶極子近似和平均場方法，建立偶極子微觀均勻化理論模型，計算特定結(jié)構(gòu)的人工異向介質(zhì)的均勻化參數(shù)，并與較為精確的S參數(shù)提取的方法所提取的材料參數(shù)相比較，發(fā)現(xiàn)在共

6、振區(qū)域，二者相吻合的比較好。從Landau-Lifshitz形式的麥克斯韋方程組出發(fā)，給出Landau-Lifshitz形式的本構(gòu)關(guān)系與一般本構(gòu)方程的關(guān)系，為采用Landau-Lifshitz形式的本構(gòu)方程來均勻化異向介質(zhì)奠定基礎(chǔ)。
　　采用雙元納米球均勻化理論構(gòu)造負(fù)折射率材料。選擇極化材料納米球和Drude型材料納米球組成雙元晶格，并且將雙元納米球分散于液晶溶液中，研究本底介質(zhì)的性質(zhì)對復(fù)合納米體系的有效折射率的影響。利用修正之后