异向介质材料的非线性研究进展

异向介质材料是由人工设计构造的、具有特异电磁特性的材料。其中同时具有负的介电常数ε及磁导率μ的称为左手材料或双负材料;仅有负的介电常数ε或负的磁导率口的称为单负材料。本文介绍了实现异向介质材料及其非线性特性的方法,重点综述了异向介质材料中SH产生、光孤子传输、波混频效应等方面的研究进展。     

一种扩展方形环异向介质结构的设计

为拓宽异向介质结构的带宽和维数,在方形环结构的基础上,提出了一种异向介质的交叉网状结构的设计,并对其介电常数和磁导率的频率特性进行了计算机仿真。研究结果表明,该结构在特定的频段内表现出了明显的负折射特性,与传统的裂环谐振器相比,新结构的结构对称、具有更宽的响应带宽和三维各向异性等特点。     

亚波长电磁波隧穿

文章介绍一种具有亚波长隧穿特性的电磁波人工复合材料.这种材料由具有不同特性的层状材料组成一“三明治”多层复合体：即ABA板.其中夹心板B为一完全阻挡电磁波的金属网（具有负介电常数-ε的金属亚波长网格）,而两夹板A可以由具有周期排列的正介电常数（＋ε）或负磁导率（-μ）的单元体构成.当电磁波入射此“三明治”体时,特定频率的电磁波会透过而产生透带.这种具有亚波长隧穿的现象实际上是由夹板上单元体的局域谐振诱导各层间电磁场增强引起的.     

一种设计Metamaterials结构的新思路

Metamaterials因其在特定频段内同时满足负的介电常数和负磁导率而具有与常规介质不同的电磁特性,该电磁特性与Metamaterials的结构密切相关。分析了线环结构的结构参数与其电磁特性的关系,在此基础上提出了一种方形环结构设计。仿真结果表明,方形环结构可以同时满足负的介电常数和负磁导率,具有负折射特性,而且具有比线环结构更宽的带宽。     

左手材料漫谈

左手材料是近年来国际物理学和电磁学的～个研究热点,是一个全新的领域。众所周知,介质的电磁特性可以用介电常数ε和磁导率μ这两个宏观参数来描述。对于通常介质ε〉O,μ〉O时,电场、磁场和波矢量之间满足右手螺旋关系,称为右手材料;而对于ε〈0,μ〈O的介质,电场、磁场和波矢量之间则满足左手螺旋关系,这样的介质被称为左手介质,     

负介电常数材料与负磁导率材料双层结构的透射特性

利用麦克斯韦方程组研究了负介电常数材料和负磁导率材料组成的双层结构的透射特性.电磁波在跨越负介电常数材料层和负磁导率材料层的界面时，由边界条件导致了电磁场的大部分能量局域在界面上，形成特殊的界面模式.研究结果表明，当入射角满足某个特定条件时，这些界面模可以演变为共振隧穿模，导致共振透射的发生.这种输运特性可以实现带通滤波. 关键词： 负介电常数材料 负磁导率材料 单负材料 带通滤波器     

基于高介电常数基板和金属结构负折射材料的设计,仿真与验证

通过将单回路镜像对称开口金属环结构印制在高介电常数基板上,实现了一种金属含量比传统负折射材料更少,"双负"通带比全介质负折射材料更宽的负折射材料.分析了高介电常数基板产生负介电常数以及"双负"通带形成的机理,通过仿真实验分析了影响"双负"通带的因素.通过制作样品验证了这一机理实现"双负"的可行性,理论分析与实验结果都表明这种方法可实现较宽频段内的"双负"通带. 关键词： 负折射材料 负介电常数 负磁导率 介质谐振器原理     

双重负指数材料的研制

自然界中的材料一般具有正的光折射系数，具有负光折射系数的材料都是利用工程技术方法人工制造的．这类材料通常称为负磁导率材料（negative—index metamaterial，NIMs）．负磁导率材料具有一些特殊的性质，例如它有将光聚焦于一个点上的能力，而且这个点的大小要比光波波长还小，所以它被称为“超级透镜”．利用它可观测到比现有光学显微镜更小的物体．各种材料只有当它的介电常数是负时，才能使光的折射系数为负．如果某种材料不仅它的介电常数为负，它的磁导率也是负的话，这样的材料就称为双重负指数材料（duble—negative metamaterial，DN—NIMs）．一般来说，NIMs材料的制作要比DN—NIMs容易一些．因为光与磁场的相互作用要比光与电场的相互作用小100倍．     

一维掺杂光子晶体嵌入负介电常数材料和负磁导率材料的性质(英文)

对一维掺杂光子晶体嵌入负介电常数材料和负磁导率材料中缺陷模的透射性质进行了研究.利用转移矩阵方法,分别计算了负介电常数材料和负磁导率材料的反射相位谱和一维掺杂光子晶体的透射相位谱.研究发现,在特定条件下,负介电常数材料和负磁导率材料的反射相位以及一维掺杂光子晶体的往返透射相位之和是0或者2π的整数倍.这样的研究结果表明,在满足一定的条件下,一维掺杂的光子晶体嵌入负介电常数材料和负磁导率材料中后,无论杂质的厚度多大,在光子带隙中仅出现一个缺陷模.而且,由于负介电常数材料和负磁导率材料性质的限制,单个缺陷模的品质因子会大大提高.     

一维掺杂光子晶体嵌入负介电常数材料和负磁导率材料的性质

对一维掺杂光子晶体嵌入负介电常数材料和负磁导率材料中缺陷模的透射性质进行了研究.利用转移矩阵方法,分别计算了负介电常数材料和负磁导率材料的反射相位谱和一维掺杂光子晶体的透射相位谱.研究发现,在特定条件下,负介电常数材料和负磁导率材料的反射相位以及一维掺杂光子晶体的往返透射相位之和是0或者2π的整数倍.这样的研究结果表明,在满足一定的条件下,一维掺杂的光子晶体嵌入负介电常数材料和负磁导率材料中后,无论杂质的厚度多大,在光子带隙中仅出现一个缺陷模.而且,由于负介电常数材料和负磁导率材料性质的限制,单个缺陷模的品质因子会大大提高.     

负折射率材料对Casimir效应的影响

研究了负折射率材料介质板间的Casimir效应.对于负折射率材料中由Drude-Lorentz型色散关系描述的介电常数和磁导率，色散曲线中负值频带的曲线结构由各色散吸收参数所决定，色散曲线负值频带宽度和负区域的深度等性质的变化影响了介质材料板的反射特性，进而对两材料板间的Casimir效应强弱起着重要的作用.     

可见光紫端748 THz处的高透过率负折射率材料模拟研究

提出一种以四边缺口的三层纳米方片为基本离散单元的左手材料,对单元的S参数进行仿真计算,并对反演得到的复折射率n、复介电常数ε、复磁导率μ等特性参数进行分析.结果表明,这种结构的负折射率频域分布在可见光的蓝光至近紫外区域,负折射率峰值位于可见光紫端边缘748THz处,且此时材料的品质因数(FOM)为15.4,材料损耗极小,透过率极高,有利于实际应用.     

1.7—2.7GHz宽频带小单元异向介质设计及其介质参数提取

提出一种单元电尺寸小、工作频带宽、损耗小、结构简单的异向介质设计方案，在1.7—2.7 GHz上所设计的异向介质结构单元电尺寸小于0.035，相对带宽达到45.5%，在整个工作频带上单个结构单元传输损耗小于0.75 dB.对由上述异向介质单元构成的半无限大异向介质平板的电磁波反射、透射特性进行了数值仿真分析，并提取出了电磁波在该异向介质平板中传播时的波数、相速、折射率以及该异向介质平板的有效介电常数和有效磁导率等一系列电磁特性参数，仿真与计算结果表明复波数的实部、相速以及折射率的实部在1.7—2.7 GHz的范围上为负值，并且在相同频带上，有效介电常数和有效磁导率的实部同时为负值，从而有效地验证了“后向行波效应”、“负折射效应”、“双负效应”等异向介质特有的电磁特性，对上述异向介质的存在性给予有力证明. 关键词： 异向介质 宽频带 小单元 介质参数     

谈谈“左手材料”

 “左手材料”(left-handedmaterials)是指在一定的频段下同时具有负的磁导率和负的介电常数的材料。电磁波在这种材料中的传播特性与在一般材料中相比有很大的不同,比如光在左手材料中的行进方向与能量传播的方向相反、完全相反的折射定律等等,“左手材料”颠覆了一般材料中所普遍遵循的“右手规律”。早在1968年,俄罗斯理论物理学家维西拉格(Veselago)就对电磁波在介电常数ε和磁导率μ同时为负数的介质中的传播及相关特性作过理论上的研究,但由于当时自然界中并没有发现这类介质材料,所以他的研究结果一直没有得到实验上的直接验证,人们对左手材料的兴趣也因此降温。     

十字环型左手材料单元结构设计与仿真

提出了一种新型十字环型左手材料结构单元.该结构只需在介质板单侧蚀刻, 即可在二维方向上产生等效负介电常数和等效负磁导率.通过理论分析, 提出场-路结合的等效源分析法以计算等效介电常数、磁导率, 并据此对十字环型结构单元的左手特性激发机理进行了论证. 后采用Nicolson-Ross-Weir 等效参数法提取了十字环型单元阵列的相对介电常数和相对磁导率, 并通过棱镜实验对材料的负折射特性进行了验证.实验表明, 该左手材料在6.8-6.9 GHz频段具有二维入射左手特性. 此种左手材料制作工艺相对简单, 为左手材料在微波器件领域的应用提供了一种较为实用的设计方案.     

左手材料的反射特性与负折射率行为

利用平板波导法研究了不同入射角度下周期排列开口谐振环负磁导率材料、周期排列金属杆负介电常数材料以及左手材料微波反射特性，并利用劈尖法研究了左手材料的负折射特性.实验结果表明：负磁导率材料反射率曲线形成反射峰，其对应的反射峰频率与材料的谐振频率一致；负介电常数材料反射率接近0dB；左手材料出现单个反射较小的反射峰，其峰值反射率随入射角度的增大而变大，即反射能力增强，且反射峰与透射峰有相对频移.劈尖法测量还表明，左手材料在9800MHz频率附近出现负折射现象，其折射率n为-0.796. 关键词： 左手材料 反射 负折射率     

光波在左手材料中的菲涅尔公式和布儒斯特定律

根据Maxwell的电磁场理论，推导出单色平面光波入射到介电常量和磁导率分别为ε1、μ1和ε2、μ2的两种介质时的菲涅耳公式和反射率及透射率的普适表达形式.对于ε2<0 和，μ2<0的左手材料，普适菲涅耳公式同样适用.研究了光从右手材料入射到左手材料时反射和折射的特性，给出了反射光为全偏光时布儒斯特角应满足的条件,此条件说明,在左手材料中布儒斯特角不但与折射率有关而且与磁导率有关.     

一种新型的树枝状负磁导率材料微带天线

基于树枝状金属结构单元模型的电磁特性,设计了一种双面刻有树枝状金属结构单元阵列的负磁导率介质材料,并将这种介质材料作为微带天线的基板,制备了中心工作频率为2.64GHz的树枝状负磁导率材料微带天线.仿真和测量结果都表明：相比普通微带天线,树枝状负磁导率材料微带天线的性能得到了明显改善,定向性得到了提高,E面和H面的3dB角分别收缩了18°和13°,增益提高了2.19dB,相当于有效辐射功率提高了65%.说明利用负磁导率材料作为微带天线的基板,可以明显改善微带天线的性能. 关键词： 树枝状结构 微带天线 负磁导率 增益     

一种新型异向介质设计及实验验证

本文提出了工作在X波段的单面双S型异向介质结构,在仿真、实验两个方面对这种新型异向介质的异向特性进行了验证.实验和仿真结果均表明,这种新型的异向介质结构在这一工作频率下具有负折射特性.这种新型的异向介质具有两个优势:更加便于制造和便于添加可控器件使单面异向介质成为可控异向介质.     

色散负折射特异介质的1维光子晶体缺陷态

在1维光子晶体中引入色散负折射特异介质,分析了其介电常数和磁导率在微波区（1～10 GHz）与频率的关系。分别对以色散负折射介质为缺陷的正折射率介质光子晶体及以正折射率介质为缺陷的正负折射率介质光子晶体进行了数值仿真,得出了均匀平面电磁波在正入射和斜入射时的透射谱。结果表明:在介电常数和磁导率均为负值的不同禁带中,分别出现了单、双缺陷模。利用透射谱的这一特点,可实现单、双通道滤波。