光频三维各向同性左手超材料结构单元模型的仿真设计

基于树枝结构单元思想,提出了光频三维各向同性左手超材料球刺结构单元模型.采用金属的Drude原理,运用等效媒质理论,仿真研究了结构的电磁响应特性.在晶格间距与工作波长的比值满足等效媒质理论要求的前提下,通过调节结构单元的几何参数,发现它能在光波段出现介电常数和磁导率同时为负值的区域,实现折射率小于零的左手超材料响应特性.该模型结构简单,具有各向同性特点.研究结果为采用"由下向上"方法制备光波段的三维左手超材料指出了新的途径. 关键词： 球刺模型 光波段 三维 各向同性     

磁电耦合超材料本构矩阵获取方法的研究

单负(仅介电常数或仅磁导率小于零)超材料以及由导线-开口谐振环组成的双负超材料本构参数的提取通常采用传统的S参数方法. 由于磁电耦合超材料存在交叉极化现象, 仅用介电常数和磁导率两个本构参数无法准确描述其电磁特性. 传统的S参数提取方法一开始就假定超材料仅具有介电常数和磁导率两个本构参数, 所以采用该方法提取磁电耦合超材料本构参数存在明显局限性. 将磁电耦合超材料中的电元件和磁元件分别等效为面电流和面磁流, 通过推导平均电通密度和磁通密度与外加电磁场的相互关系, 从理论上获取了磁电耦合超材料2×2 的本构参数矩阵, 确定了磁电耦合超材料这四个本构参数与磁元件的磁导率、电元件的介电常数、空间色散项和耦合系数之间的关系解析公式, 进而获得了折射率理论计算公式. 利用该折射率公式对折射率提取值进行了非线性拟合, 发现提取值和理论值之间的误差很小, 这个结果很好地验证了所给出的本构矩阵解析式和折射率公式的正确性. 根据拟合结果, 获得了磁电耦合超材料本构矩阵中四个电磁参数的频率响应曲线. 所提出的磁电耦合超材料本构矩阵参数获取方法将为研究磁电超材料中电元件和磁元件的耦合现象提供重要的理论参考.     

同时实现介电常数和磁导率为负的H型结构单元左手材料

基于用一种结构同时实现材料介电常数和磁导率为负的思想，提出了H型结构单元左手材料模型.采用矩形波导法测试表明，H型结构单元在微波频率范围出现左手透射峰，并且可以由参数t对左手特性区域进行调控.同时利用相位法、棱镜折射法和散射参量法从实验和理论证明了在左手透射峰区域材料的折射率为负值，介电常数和磁导率亦同时为负.相对由金属开口谐振环与金属线两种结构组合实现的左手材料，H型结构集磁谐振与电谐振于一体，结构简单、制备方便，对微波器件左手材料表现出更多的优越性.     

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.     

一种基于金属开口谐振环和杆阵列的左手材料宽带吸收器

用数值仿真在微波X波段研究了金属开口谐振环和杆阵列这一最基本的谐振结构.通过合理的参数调节,这种结构在10.91GHz附近可以表现出高达98%的吸收率,并且半高峰宽达到3.5GHz.用散射参量提取法计算其有效电磁参数,发现在谐振频率附近其介电常数、磁导率和折射率的实部均为负值.相比于传统的左手材料,这种结构的电磁参数在谐振区域均具有较大的虚部,是形成高吸收率的根本原因.本文的左手材料吸收器在电磁加热、电磁隐身等领域具有许多潜在的应用.     

倒Y形四能级原子系统电磁诱导的左手效应

研究了倒Y形四能级原子与多模光场相互作用系统,在量子干涉机理下介质的相对介电常数和相对磁导率受电磁诱导发生显著变化,在合适的参数条件下它们同时出现负值,产生了左手效应,相应的介质转化为左手材料.随着系统参数的改变,左手效应频率范围等性质随之变化. 关键词： 量子干涉 电磁诱导 左手材料 负折射率     

负折射率材料对产生Casimir排斥力的影响

研究了负折射率材料对产生Casimir排斥效应的影响. 两材料板间的Casimir排斥力的发生取决于两板以及其间媒质的电磁特性,通过理论与数值结果的分析研究给出电磁特性所影响排斥力的产生趋势. 对于由Drude-Lorentz型色散关系描述等效介电常数和磁导率的负折射率材料,调节各特征频率参数可实现Casimir排斥效应. 关键词： Casimir排斥力 负折射率材料 Drude-Lorentz型色散关系     

磁电超材料折射率特性分析

基于麦克斯韦旋度方程, 将磁电超材料板中的电元件和磁元件分别等效为面电流和面磁流, 通过计算这些周期性面电流和面磁流在某个磁电超材料板上产生的总电场和总磁场, 获得了关于面磁流密度和面电流密度的两个方程, 进而推导出了周期性磁电超材料折射率与磁元件的磁导率、 电元件的介电常数和空间色散项之间关系的解析公式. 与传统的折射率计算公式不同, 该解析公式充分考虑到了空间色散以及磁电超材料的电元件和磁元件的相互作用. 折射率理论曲线和基于仿真实验数据的提取值曲线能很好地符合, 这说明文中推导的折射率公式能够正确地描述磁电超材料的负折射特性. 本文的结果将为分析电磁元件之间的相互作用以及设计负折射率符合一定要求的磁电超材料提供重要的理论参考. 关键词： 磁电超材料 周期性结构 负折射率     

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     

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。     

Total transmission and total reflection by zero index metamaterials with defects

We theoretically investigate microwave transmission through a zero-index metamaterial loaded with dielectric defects. The metamaterial is impedance matched to free space, with the permittivity and permeability tending towards zero over a given frequency range. By simply varying the radii and permittivities of the defects, total transmission or reflection of the impinging electromagnetic wave can be achieved. The proposed defect structure can offer advances in shielding or cloaking technologies without restricting the object's viewpoint. Active control of the observed exotic transmission and reflection signatures can occur by incorporating tunable refractive index materials such as liquid crystals and BaSrTiO3.     

基于TE10矩形波导的异向介质有效本构参数提取算法

提出了一种基于TE₁₀矩形波导的异向介质有效本构参数提取算法,利用该算法提取了对称多元胞铁氧体和金属线阵复合型异向介质的有效介电常数ε和有效磁导率μ.文中着重探讨了多元胞异向介质传播常数β实部的分枝选取问题,借鉴了测量理论中测量值和理论真值之间的关系,将单元胞的β提取值作为多元胞β的测量值,进而确定多元胞β的真实值;由于在多元胞异向介质各元胞之间存在耦合效应,使电磁波主要以周期性Bloch波的形式存在 关键词： 10矩形波导')" href="#">TE₁₀矩形波导 异向介质 有效本构参数提取 铁氧体和金属线阵异向介质     

等效零折射率材料微腔中均匀化腔场作用下的简正模劈裂现象

研究了零折射率材料微腔中人造原子与腔模的相干耦合现象.首先通过数值模拟的方法研究了在二维光子晶体微腔中填充阻抗匹配的零折射率材料后腔模的场分布.结果表明零折射率材料的引入使得原本以驻波场形式存在的腔模分布在整个微腔中变得近似均匀且值最大.其次,将人造原子放入腔中的不同位置并与腔模耦合,结果从频谱上观察到腔模的劈裂与人造原子在腔中的位置无关.最后,利用微波实验,通过开口谐振环等效的人造原子与一维复合左右手传输线等效的零折射率材料微腔之间的耦合验证了仿真结果的准确性.该结果为腔量子电动力学中量子点对位难的问题提供了新的方案,同时零折射率材料微腔也为今后研究原子与光子之间的相互作用提供了一个新的平台.     

k=0处的类狄拉克锥

狄拉克锥在电子和经典波体系中分别被发现, 由于其线性能带关系, 伴随着很多独特的现象. 除了一般存在于布里渊区边界处的狄拉克锥, k=0处也存在包含线性能带关系的类狄拉克锥. 这个类狄拉克锥可以由单极子和偶极子的偶然简并而形成. k=0处的类狄拉克锥可以通过两维电介质光子晶体来实现, 利用等效媒质理论, 此时的光子晶体在类狄拉克点频率可以等效为介电常数和磁导率都为零的材料. 电介质双零折射率材料既可以避免阻抗的不匹配, 也可以避免体系推广到高频所引起的强烈损耗. 此外, k=0处的类狄拉克锥与双零折射率的概念可以从两维体系拓展到三维体系, 而且还可以从电磁波体系推广到声波和弹性波体系. 利用具有类狄拉克点的两维光子晶体, 在材料参数都偏离类狄拉克点条件的两个半无限大光子晶体所构成的界面中, 一定存在界面态. 这些界面态的存在可以通过层状多重散射理论得到的表面阻抗以及体能带的几何相位来彻底解释.     

Antiferromagnetic material with the magnetoelectric effect as an example of a left-handed medium

The propagation of electromagnetic waves in an antiferromagnetic material with the magnetoelectric effect is theoretically studied. The frequency dependences of the wavenumbers, dynamical permeability and permittivity, and reflection coefficient of electromagnetic waves for various energy parameters of the antiferromagnetic material have been obtained. It has been shown that there is a frequency range where the dynamical permeability and permittivity, as well as one of the wavenumbers, are simultaneously negative in the antiferromagnetic material with the magnetoelectric effect. In this case, the antiferromagnetic material is an example of a so-called left-handed medium. The reflection coefficient of electromagnetic waves from the surface of the antiferromagnetic material decreases anomalously in this frequency range.     

Dual bands of negative refractive indexes in the planar left-handed metamaterials

A kind of planar left-handed metamaterial (LHM) with unique configurations is demonstrated, which offers an approach in building dual-band negative-index materials. Simulated and experimental results predict two left-handed transmission bands near 11.1 and 14.6 GHz. Dual bands of negative refractive indexes are verified using the retrieval procedure. Field and current distribution at the dual magnetic resonance are also examined. The effective electromagnetic parameters show that by carefully adjusting dimensions of the unit cell, electric and magnetic resonances can be coexistent at some frequency ranges with both negative permittivity and negative permeability. The idea can help us designing planar negative-index materials with multibands.     

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.     

Transverse electromagnetic modes in aperture waveguides containing a metamaterial with extreme anisotropy

We use metamaterials with extreme anisotropy to solve the fundamental problem of light transport in deep subwavelength apertures. By filling a simply connected aperture with an anisotropic medium, we decouple the cutoff frequency and the group velocity of modes inside apertures. In the limit of extreme anisotropy, all modes become purely transverse electromagnetic modes, free from geometrical dispersion, propagate with a velocity controlled by the transverse permittivity and permeability, and have zero cutoff frequency. We analyze physically realizable cases for a circular aperture and show a metamaterial design using existing materials.