准周期光子晶体平板透镜的光会聚

提出了一种能够实现负折射的准周期光子晶体(QPC).该准晶光子晶体具有十二重对称性,由介质背景下空气孔的准周期阵列组成.用时域有限差分方法研究了电磁波通过该十二重准品后的传播行为.对劈形准品样品的研究表明,电磁波在该准晶结构中发生了负折射现象.进一步利用该准晶制成平行平板,研究了平板的表面截面对电磁波传播的影响.发现改变平板的表面截面,可以调节电磁场在板后的分布.在合适的界面条件下,准晶平板对电磁波实现了会聚.因此,在实际应用中应仔细选择适当的界面参数.     

介质填充浅槽周期结构表面上的太赫兹表面等离子体激元

通过在金属表面刻成浅的垂直凹槽,并在槽内填充不同的介质,对金属表面浅槽周期结构上传播的表面等离子体激元的色散特性与填充介质的关系进行了研究.研究表明通过在周期凹槽内填充介质可以有效降低人工表面等离子体激元的渐近频率,并增强金属表面对电磁场的约束.分析了太赫兹波段金属的吸收损耗对人工表面等离子体激元特性的影响,结果显示基于填充介质的浅槽周期表面结构可以获得长距离传输以及场的亚波长约束.通过对波传输的数值仿真,验证了该表面结构在太赫兹波段良好的导波能力.这种表面结构对太赫兹波段新型集成导波器件的设计具有参考价值.     

介质填充浅槽周期结构表面上的太赫兹表面等离子体激元

通过在金属表面刻成浅的垂直凹槽,并在槽内填充不同的介质,对金属表面浅槽周期结构上传播的表面等离子体激元的色散特性与填充介质的关系进行了研究.研究表明通过在周期凹槽内填充介质可以有效降低人工表面等离子体激元的渐近频率,并增强金属表面对电磁场的约束.分析了太赫兹波段金属的吸收损耗对人工表面等离子体激元特性的影响,结果显示基于填充介质的浅槽周期表面结构可以获得长距离传输以及场的亚波长约束.通过对波传输的数值仿真,验证了该表面结构在太赫兹波段良好的导波能力.这种表面结构对太赫兹波段新型集成导波器件的设计具有参考价值.     

基于人工表面等离激元的双通带频率选择结构设计

本文提出了一种基于人工表面等离激元的频率选择结构的设计方法：将设计的频率选择表面和金属鱼骨结构阵列相结合得到一种新的频率选择结构.文中采用这种方法设计了一种具有陡截止和高透、高抑制性能的双通带频率选择结构.该结构由金属鱼骨结构阵列和上下两层相同的频率选择表面复合而成.通过仿真可得,该结构的两个通带频率范围分别是3.0–4.1和10.5–10.9 GHz,透射率均在-0.5 dB以上.透射率低于-10 dB的频率范围是4.7–9.2和12.1–18 GHz.在12.4–15.5 GHz频率范围内,该结构的透射率甚至低于-20 dB.在通带内,电磁波可以高效地透过该结构;在阻带内,该结构对电磁波的透射具有较好的抑制作用.测试结果表明用这种方法设计出的频率选择结构的实际性能和仿真基本一致.在金属鱼骨结构空隙中填入轻质泡沫后该结构具有一定的力学承载性能,可以实现结构功能一体化的设计.     

一种温控的可调表面等离子体光学器件

设计加工了一个三层结构的表面等离子体光学吸收器件,表层结构为规则排列的金质椭圆形微粒。入射电磁波与椭圆形金粒作用激发表面等离子体共振时,由于沿长短轴方向谐振频率不同,使得该器件实现了在近红外谱段两个频率处对入射光近100%的吸收。实验样品用电子束曝光技术加工,实验测量与仿真设计结果一致。此外,由于改变器件表面介质的折射率可以有效调谐器件的谐振特性,通过在器件表面覆盖一向列型液晶层并由温度控制液晶层的折射率,实现了一种温控的可调表面等离子光学吸收器件,调节过程简单可靠并且可重复实现,调节范围达22nm。该器件由于其高吸收效率和可调谐特性,可在太阳能电池以及未来光子集成电路等方面得到重要应用。     

分层有耗手征介质中斜入射电磁波的传播矩阵

根据相位匹配条件,推导了平面电磁波斜入射情形下分层有耗手征介质中本征波复数波矢量的实部和虚部,二者方向不同使得在介质中传播的本征波为非均匀平面波.然后通过波矢量实部确定了介质中本征波的折射角.最后根据边界条件和本征波场方程给出了分层有耗手征介质中斜入射电磁波的传播矩阵,该传播矩阵可用于解析分析任意入射角情形下分层手征介质的反射透射和电波传播特性.     

折射率梯度表面机理的研究

本文构建了一种折射率梯度表面,并利用几何光学法对其物理机理作了研究,发现这种折射率梯度表面可以实现入射波到正常反射波,异常反射波,以及介质波的转换.当入射点介质折射率大于某一阈值时,异常反射波束方向角正弦值与入射波束方向角正弦值存在线性关系,意味着平行入射的波经介质后将平行出射到空气;而当折射率梯度常数大于某一阈值时,任何方向入射的波在透射到介质后,将发生全反射,被束缚在介质中.总而言之,通过调节结构参数,可以实现对波束方向与强度的人工调控,从而提供了一种人工可控的全介质梯度表面的工程实现思路.     

基于圆弧谐振腔的金属-介质-金属波导滤波器的数值研究

设计了一个基于圆弧谐振腔的金属-介质-金属波导滤波器, 并应用时域有限差分算法数值研究了它的传播特性. 结果发现, 在透射光谱中出现了明显的透射峰. 分析表明, 该透射峰是由表面等离极化激元在圆弧腔中的谐振所导致. 我们还研究了圆弧谐振腔的结构参数及其弯曲方向对其传播特性的影响. 此外, 该结构还可以用作一种光分路器, 实现滤波与分路的双重功能.     

衍射极限尺度下的亚波长电磁学

作为波的本性之一,衍射是现代物理学的重要研究内容.衍射导致自由空间中波的能量不能被无限小地聚集,从而为成像、光刻、光存储、光波导等技术设定了一个原理性的障碍——衍射极限.对于电磁波和光波而言,尽管通过提高介质的折射率可以压缩衍射效应,但由于自然界中材料的折射率有限,该方法存在很大限制.近年来,随着表面等离子体光学的兴起,表面等离子体在超越传统衍射极限方面的能力和应用前景受到了学术界的关注.本文从亚波长电磁学的角度出发,介绍衍射极限研究的历史,综述了突破衍射极限的理论方法.首先,利用金属介质表面等离子体激元的短波长特性,可将等效波长压缩一个数量级以上,在纳米尺度实现光波的聚焦或定向传输;更进一步,通过人为设计超构材料和超构表面,利用结构化金属和介质中的局域谐振、耦合等特殊电磁响应,可实现亚波长局域相位调制、超宽带色散调控、近完美吸收、光子自旋轨道耦合等,从而突破传统理论的诸多局限,为下一代电磁学和光学功能器件奠定重要基础.     

太赫兹频率编码器

超表面是由亚波长单元组成控制电磁波的人工结构,研究发现通过对其进行编码排列可实现对电磁波能量的任意控制.本文利用四种形状相同、尺寸不同的人字形结构单元,结合其不同相位响应和不同的相位灵敏度设计了太赫兹频率编码器,通过进行特定编码,在频率改变的情况下,实现了对电磁波能量辐射调控.分别设计了1-bit, 2-bit周期和非周期太赫兹频率编码器,通过数值计算和仿真模拟验证了上述特性,而且该结构对太赫兹波辐射主瓣能量有很好的分散作用,可以有效减少雷达散射截面,雷达散射截面缩减在q=0,j=0方向上最大可达29 dB,在太赫兹波隐身中具有巨大应用价值.     

Frequency characteristics of the dark and bright surface solitons at a nonlinear metamaterial interface

We investigate the generation and properties of dark and bright surface waves at the interface of a conventional medium and a metamaterial. It is shown that the stable dark and bright surface solitons can coexist even when the nonlinear Kerr coefficients of the two media are negative, completely different from those at the interface between two conventional media. Most importantly, both the dark and bright surface solitons exist only within a certain range of the effective refractive index of the metamaterial, greatly depending on the frequency of the electromagnetic wave propagating in it. Therefore, the generation conditions for surface solitons, and the properties of the generated surface solitons such as the peak positions and the intensity of the dark and bright surface solitons, can be controlled by adjusting the structure parameters of the metamaterial and/or the frequency of the electromagnetic wave.     

各向同性介质界面本征模分析

分析了两个各向同性材料界面处的本征模,从另一个角度来分析解释了布儒斯特定律.当入射光与界面处的表面模匹配时,入射光的能量就会全部转移到界面的本征场上,如果电磁波在折射介质中为行波,界面的本征场又会在折射介质中激发新的电磁波,形成透射波,也就是布儒斯特定律描述的横电波或者横磁波的全透射现象,这也可以看作是一种光学共振现象.横磁波的全透射现象往往出现在两个具有相同磁导率的介质的界面处,而横电波的全透射现象则往往出现在两个具有相同介电常数的介质的界面处.     

Dual-band tunable negative refractive index metamaterial with F-Shape structure

This paper presents a negative refractive index tunable metamaterial based on F-Shape structure which is capable of achieving dual-band negative permeability and permittivity, thus dual-band negative refractive index. An electromagnetic simulation was performed and effective media parameters were retrieved. Numerical investigations show clear existence of two frequency bands in which permeability and permittivity both are negative. The two negative refractive index bandwidths are from 23.8 GHz to 24.1 GHz and from 28.3 GHz to 34.9 GHz, respectively. The geometry of the structure is simple so it can easily be fabricated. The proposed structure can be used in multiband and broad band devices, as the band range in second negative refractive index region is 7 GHz, for potential applications instead of using complex geometric structures and easily tuned by varying the separation between the horizontal wires.     

MNZ超材料的电磁特性

主要围绕磁导率接近0的MNZ超材料,通过理论分析和数值模拟方法对MNZ材料的电磁特性进行了研究。针对线源置于二维MNZ材料内部的情况,通过理论详细分析了在MNZ材料和空气交界处的阻抗匹配特性和传播常数的连续性,基于有限元数值方法模拟验证了电磁场在MNZ材料边界处的等幅同相特性,从而实现了均匀平面波的传播特性。同时,考虑到将线源置于空气中有助于辐射出电磁能量,通过数值模拟分析了电磁波由空气入射到MNZ材料的电磁特性,发现在特定极化条件下,只能当电磁波波前与MNZ材料边界平行时,才能较好地实现阻抗匹配,从而基于MNZ材料实现新颖的辐射特性。     

电磁波在高密度等离子体微柱腔体结构中的新传输模式

超高声速飞行器再入过程中会因为等离子体鞘层而产生通信中断,俗称"黑障".近些年人们针对黑障通信的研究虽取得了一些成果,但仍然没能从根本上解决问题.本文从电磁波在高密度等离子体柱中的传输机理研究出发,借鉴二维光子晶体和表面波局域耦合相关理论,设计出了一种新型的等离子体微柱腔体结构,在这种特殊结构下L和S波段的电磁波在某些频段内出现了不同寻常的传输现象,即从高密度等离子体柱的内部穿过.这种新结构下的传输模式将为黑障通讯研究提供新的技术途径和方法.     

Transverse surface waves in a layered structure with a functionally graded piezoelectric substrate and a hard dielectric layer

As to an ideally layered structure with a functionally graded piezoelectric substrate (material parameters change continuously along the thickness direction) and a hard dielectric layer, the existence and propagation behavior of transverse surface waves is studied by analytical technique. The dispersion equations for the existence of the transverse surface waves with respect to phase velocity are obtained for electrically open and short circuit conditions, respectively. A detailed investigation of the effect of gradient coefficient on dispersion relation, electromechanical coupling factor and penetration depth is carried out. It is found by numerical examples that adjusting gradient coefficient makes the electromechanical coupling factor of the transverse surface waves achieve quite high values at some appropriate ratio values of the layer thickness to the wavelength, and at the same time, the penetration depth can be reduced to the same order as the wavelength.     

All angle negative refraction with the effective phase index of-1

We theoretically studied a left-hand structure based on a two-dimensional (2D) photonic crystal (PC)with a negative refractive index. The propagation of electromagnetic waves in the proposed PC structure is investigated through dispersion characteristic analysis and numerical simulation of field pattern. The designed PC structure can exhibit all angle negative refraction, and the corresponding effective refractive indices along all directions are almost same and close to the ideal value of -1. A flat lens formed from such a PC has been designed and its imaging properties have been investigated systematically.     

基于蜷曲空间结构的近零折射率声聚焦透镜

研究基于蜷曲空间结构的近零折射率声聚焦透镜.根据近零折射率材料的声波方向选择机理,采用蜷曲空间结构为基本单元进行排列,设计具有特定入射与出射界面的几何结构,对透射声波的出射方向进行调控,实现了平面声波与柱面声波的聚焦效应,并深入讨论了透镜内部刚性散射体对声聚焦性能的影响.在此基础上,改变近零折射率透镜的出射界面,可以精确调控声波阵面的形状与方向.该类型透镜具有单一的单元结构、高聚焦性能及高鲁棒性等优点.研究结果为设计新型近零折射率声聚焦透镜提供了理论指导与实验参考,同时也为研究声波阵面的调控提供了新思路.