光波段多频负折射率超材料

从光波段圆孔形双鱼网结构的负折射材料模型出发,采用基于有限积分技术的CST软件系统研究了原胞结构的改变对负折射行为的影响.数值仿真结果表明,对原胞结构做微小调节也可获得负折射率频带的增大效应.将双鱼网结构改为阶梯形孔洞和半球形孔洞结构,可以在更多的频段里出现负折射率,并且谐振频率发生了一定的红移.半球形孔洞的双鱼网结构可以方便地用化学模板法制备,这为从实验上实现红外及可见光波段的多频负折射材料提供了一种简单可行的方法.关键词：负折射率多频段双鱼网结构     

微波异常传播中的负折射率问题

给出关于电磁波折射率理论的评述,重点介绍了美国圣迭戈加州大学（UCSD）研究组关于负折射率的实验,该实验证明左手化物质（LHM）确实呈现负折射率。     

负折射率材料透镜的消色差

以工作在近红外波段0.848μm~1.114μm,焦距100mm,入瞳直径20mm,具有负阿贝数的负折射率平凹透镜为例,介绍了两种对该类负折射率透镜的消色差设计方法,即利用正折射率材料透镜与负折射率材料透镜组合消色差和负折射率透镜中引入衍射光学元件实现折衍射混合透镜消色差方法.结果表明,正负折射率材料透镜组合消色差方法中正折射率材料透镜承担几乎全部光焦度,进而引入大量额外单色像差,但利用衍射光学元件可以在不引入额外像差的同时实现负折射率透镜的消色差.根据负折射率材料在介质与空气分界面的特殊折射特性,推导了以负折射率为基底的衍射光学元件的衍射效率公式,得到衍射微结构高度公式,求出不同波长处的衍射效率值.负折射率二元衍射光学元件在设计波长0.912μm处衍射效率为40.53%,在波长0.848μm处的衍射效率为35.06%,在波长1.114μm处的衍射效率值为39.83%.     

左手材料和负折射率

对于左手材料折射率的符号取法做了详细的分析,给出了n=εμ的来源.     

含负折射率材料的一维光子晶体缺陷模式的研究

采用光学传输矩阵方法,研究了由正折射率材料和负折射率材料交替组成的一维光子晶体中带有缺陷层时的光学传输特性.计算了含有普通电介质插层和有吸收的介质插层两种情况下的透射谱.结果表明,在正入射时,对于普通电介质插层,随插层厚度的增大,缺陷模的个数增多;对于有吸收特性的介质插层,随插层厚度的增大和吸收特性的增强,缺陷模式并没有出现,而是表现为对透射峰的明显增益.     

含负折射率材料并具有零平均折射率的半无限一维光子晶体的表面态

用传输矩阵方法和Bloch定理,从理论上分析以色散介质为背景,由正负折射率材料组成的半无限一维光子晶体的表面态,发现以色散介质为背景,在满足平均折射率等于零的情况下,第一层厚度变化时,表面态将会在较大频率范围内显著变化。讨论了同一入射角度下不同频率的表面态的电场分布情况,结果表明：远离带边的表面态局域长度较小。     

晶格常数对左手材料的能量透射率及负折射率的影响

研究晶格常数对左手材料的能量透射率、负折射率以及品质因素(FOM)的影响.结果表明,随着晶格常数的减小,左手材料的低阶透射峰出现异常增大,其物理机制为阻抗匹配;左手材料的负折射的中心频率随着晶格常数的减小而蓝移,与理论结果基本一致;晶格常数对左手材料的FOM有重要的影响,当晶格常数减小到一定值时,可以实现完美阻抗匹配,从而得到较高的FOM.     

含负折射率材料的Thue-Morse序列结构的光学透射谱

讨论了由正折射率材料和具有色散的负折射率材料构成的Thue-Morse序列结构的透射谱,用传输矩阵元的递推关系式计算透射率.数值计算结果表明,这种系统存在一个n=0带隙,它与Bragg带隙相比,对入射角变化和电场偏振方向的变化更不敏感.此外,带隙的位置不随序列阶数的不同而变化.同时,对TM序列结构完全透射态的场分布进行了研究,发现光强的分布具有与晶格结构相似的分布.     

含负折射率材料的一维光子晶体的光学传输特性

采用光学传输矩阵方法,模拟研究了由正折射率材料和负折射率材料交替组成的一维光子晶体的光学传输特性.计算了这种含负折射率材料的一维光子晶体的透射谱和色散关系.结果表明,在正入射时,含负折射率材料的光子晶体的带隙要比传统的光子晶体要大得多,并具有狭窄的透射带,从光学薄膜理论的色散关系出发解释了形成上述现象的原因.讨论了在不同的偏振模式下,光以中心波长入射时,反射率随着入射角度的变化关系.发现含负折射率材料的一维光子晶体具有更好的角度特性,可以用来实现对中心波长的全方位反射.     

利用含负折射率材料的光子晶体实现角度滤波器

利用光子晶体的共振隧穿效应,并结合由负折射材料引起的零平均折射率带隙,设计出一种新型的角度滤波器,使得对于某一频率范围内的入射电磁波仅在特定入射角度的波能够全透,而其他角度的波不能透过.这将在微波器件乃至光学器件上有广泛应用.关键词：光子晶体负折射率材料共振隧穿     

Band rules for the frequency spectra of three kinds of aperiodic photonic crystals with negative refractive index materials

By means of the theory of electromagnetic wave propagation and transfer matrix method, this paper investigates the band rules for the frequency spectra of three kinds of one-dimensional (1D) aperiodic photonic crystals (PCs), generalized Fibonacci GF(p,1), GF(1,2), and Thue--Morse (TM) PCs, with negative refractive index (NRI) materials. It is found that all of these PCs can open a broad zero-? gap, TM PC possesses the largest zero-? gap, and with the increase of p, the width of the zero-? gap for GF(p,1) PC becomes smaller. This characteristic is caused by the symmetry of the system and the open position of the zero-? gap. It is found that for GF(p,1) PCs, the possible limit zero-? gaps open at lower frequencies with the increase of p, but for GF(1,2) and TM PCs, their limit zero-? gaps open at the same frequency. Additionally, for the three bottom-bands, we find the interesting perfect self-similarities of the evolution structures with the increase of generation, and obtain the corresponding subband-number formulae. Based on 11 types of evolving manners Q_i(i=1,2,....,11) one can plot out the detailed evolution structures of the three kinds of aperiodic PCs for any generation.     

正负折射率材料组成的半无限一维光子晶体的反射率

计算了由正负折射率材料交替生长形成的半无限一维光子晶体的反射率,发现在带隙中,反射率等于1,在通带内,半无限结构的反射率是有限层结构迅速振荡的反射率平均的结果. 当该结构中正负折射率材料的光学厚度相互抵消时,会出现零平均折射率能隙.解析地证明了该结构零平均折射率附近的能隙几乎不随入射角度和偏振情况变化,而且跟晶格常数的标度无关.关键词：半无限光子晶体反射率负折射率     

左手性介质透镜系统的赛德尔像差特性研究

根据初级像差理论,系统研究了由左手性介质构造的透镜系统的赛德尔像差特性.分析了左手性介质单折射曲面的赛德尔像差特性,发现其消初级球差的曲面类型比普通介质更为灵活且可用于实成像系统.依据薄透镜赛德尔和数公式,分析和设计了三种只有左手性介质才具备的可消部分赛德尔像差的薄透镜结构参数,提出了几种能同时消除全部五种赛德尔像差的由左手性介质构造的透镜组合系统.研究表明左手性介质相对于普通介质在消像差方面存在较大优势,在光学设计时可以采用更少的折射表面个数或更简单的表面形状即可到达同等的成像性能.     

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     

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。     

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。     

一种基于光子晶体异质结构的新型多通道波分复用器

在二维三角光子晶体环形腔的周围增加六个散射介质柱,构成一个新的环形腔结构,该结构使光波的透射率达到90%,带宽也比较小。通过改变光子晶体介质柱的折射率,使环形腔的选择波长不断改变,能够明显地区分出两个不同波长,且分波波长在通信波长范围之内。将不同折射材料的光子晶体连接在一起,构成一种新的光子晶体波分复用器,相比同种材料,它具有高效率,多波长选择的优点。利用这种异质结构可以构建一个多波长的波分复用结构,它也为制作多通道波分复用器奠定了基础。

     

旋光晶体的寻常折射率与左旋光和右旋光折射率的关系

由光的波动方程证明,若介质为旋光物质,则其极化率张量χ一定有非对角对称的共轭虚元素,并导出了旋光晶体的寻常折射率no与左旋光折射率nL和右旋光折射率nR之间的关系.将理论分析结果与实验数据相对照,结果完全吻合.