一种双开口谐振环结构的新型双负介质

提出了一种双开口谐振环结构的新型双负介质单元模型,该模型集电、磁谐振于一体,结构简单。用时域有限差分法和CST软件对该新型结构进行了模拟对比,并对其物理机理进行了分析,解释了其双负效应发生的原因。从电磁波理论出发,导出了波导中双负介质参数的反演公式,推广了通常提取介质参数的NRW方法,并由此提取了新型双负介质的等效电磁参数。结果表明：在频率10.3 GHz附近其等效介电常数和等效磁导率的实部同时为负值,确定了其双负效应的存在。     

基于双负介质与负介电常数介质交叠结构的谐振腔研究

通过探讨双负介质与负介电常数介质交叠结构的谐振特性,实现了一种能够同时缩小长度和宽度的改进的小型化谐振腔(IMCR). 对IMCR谐振特性进行了数值仿真,结果表明,IMCR能够在10.3GHz上稳定谐振,但其长度和宽度却分别只有4.58和5.08mm,相比于普通金属谐振腔的长度和宽度均缩短了一半. 这些结果对基于双负介质的小型化谐振腔的发展具有理论意义. 关键词： 双负介质 负介电常数介质 改进的小型化谐振腔 各向异性     

一种处理色散介质问题的通用时域有限差分方法

色散介质的介电系数是频率的函数,使本构关系在时域成为卷积关系.这就给用时域有限差分方法计算色散介质中波的散射和传播带来了困难.现有算法往往要针对不同色散介质模型推导相应的递推公式,算法的通用性较差.本文完善和发展了移位算子-时域有限差分方法,使之成为一种处理色散介质电磁问题的通用方法.首先,证明了常见的三种色散介质模型(德拜模型、洛伦兹模型和德鲁模型)的介电系数均可以写成适于移位算子法计算的有理分式函数形式.然后,用/t代替jω,过渡到时域,再引入时域移位算子z_t代替时间微分算子来处理有理分式函数形式的介电系数,给出离散时域本构关系的表示式,进而导出时域有限差分方法当中电位移矢量和电场强度之间的关系.最后,计算了几种色散介质的电磁散射,数值结果表明了本文方法和程序的通用性和正确有效性. 关键词： 时域有限差分方法 色散介质 移位算子     

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。     

一种色散介质FDTD通用吸收边界

由单轴各向异性介质所满足的场方程出发,并根据相位匹配原理以得到介质中的色散关系和无反射条件.结合频域到时域的转换关系（即用/t代替jω）和移位算子时域有限差分（SO-FDTD）方法提出了一种适用于各向同性常见色散介质模型,包括德拜模型、洛伦兹模型、德鲁德模型等的通用UPML吸收边界.数值结果表明了该算法的通用性和高效性. 关键词： 时域有限差分 吸收边界 移位算子 色散介质     

一种基于数字信号处理技术的改进通用色散介质移位算子时域有限差分方法

借鉴数字信号处理技术中的无限脉冲响应滤波器实现的思想,提出一种适用于通用色散介质的改进移位算子时域有限差分（shift operator finite-difference time-domain,SO-FDTD）方法.与原SO-FDTD方法相比,改进的SO-FDTD方法内存占用减少33%以上,同时计算时间也有所减少.最后通过一阶、二阶色散介质雷达散射截面计算验证了方法的通用性和有效性. 关键词： 时域有限差分 色散介质 移位算子     

双负介质对光子晶体透射能带谱的简并效应研究

利用传输矩阵法理论,通过数值计算模拟的方法,研究双负介质对一维光子晶体透射能带谱的影响。结果表明:当C介质由双正介质变成双负介质时,光子晶体(CBAABC)n的禁带、能带和光子晶体(AB)m(CBAABC)n(BA)m的透射峰均出现明显的简并现象,即前者相邻多禁带和多能带结构简并为较宽的单禁带和单能带结构,后者的透射峰由2n+1条简并成2n-1条;当双负介质C的光学厚度负值减小时,光子晶体(AB)m(CBAABC)n(BA)m的透射峰向禁带中心靠拢,出现简并趋势。双负介质对光子晶体透射能带谱的简并效应,为光子晶体设计光学滤波器件、光学开关等提供参考。     

介质加载环板慢波结构高频特性研究

 提出了一种适用于环板结构的计算等效相对介电常数的方法,利用变分法导出了介质加载环板慢波结构的色散方程和耦合阻抗表达式。计算结果表明,介质加载能够有效降低环板慢波结构的工作电压。计算结果与CST-MWS的模拟结果吻合良好,说明所提出的计算等效相对介电常数的方法和计算色散方程的方法对环板慢波结构是切实可行的。     

介质加载环板慢波结构高频特性研究

提出了一种适用于环板结构的计算等效相对介电常数的方法,利用变分法导出了介质加载环板慢波结构的色散方程和耦合阻抗表达式。计算结果表明,介质加载能够有效降低环板慢波结构的工作电压。计算结果与CST-MWS的模拟结果吻合良好,说明所提出的计算等效相对介电常数的方法和计算色散方程的方法对环板慢波结构是切实可行的。     

高阶色散介质的改进移位算子时域有限差分方法

提出一种适用于高阶Debye,Drude,Lorentz及其混合模型的改进移位算子的时域有限差分(SO-FDTD)方法。从介质极化率函数出发,将其写成一阶或二阶有理分式求和的形式,并在随时间步推进计算的过程中,通过引入中间变量和设置临时变量,克服了常规SO-FDTD将高阶模型直接转化为有理分式所导致的计算复杂性和内存占用量大的问题。同时,改进SO-FDTD方法的时域推进计算步骤具有通用性,克服了常规递归卷积(RC-FDTD)方法对各种高阶模型具有不同计算公式,因而不能形成通用计算程序的问题。最后,通过空气-高阶色散介质界面的反射系数计算验证了算法的有效性和通用性。     

Infrared response of a metamaterial made of gold wires and split ring resonators deposited on silicon

Periodic arrays of gold wires and split ring resonators (SRR) with a minimum feature size of 50 nm are fabricated on low-doped silicon. To our knowledge, the periodic arrangement of SRRs and wires considered in this work has not been studied in the near-infrared domain yet. For normal-incidence conditions, this metamaterial structure exhibits resonances at 70 and 170 THz (i.e., at λ ≈ 4.3 and 1.75 μm), which are identified as LC- and Mie resonances, respectively. These resonances are also observed for the SRRs alone, but the amplitude of the Mie resonance is reinforced due to the coupling between the SRRs and wires. The structure is simulated using finite-element software, while transmission and reflection measurements are performed with a Fourier transform infrared spectrometer. Numerical simulations are found to be in very good agreement with experimental characterizations, thereby showing that the Drude model used in calculations is well suited to simulate gold structures at near-infrared frequencies. Theoretical calculations predict that the metamaterial has a negative permittivity and a negative permeability near each resonance.     

劈裂环-盘二聚体结构的多重Fano共振

利用时域有限差分方法,理论研究了由劈裂环和圆盘构成的金二聚体结构的光学性质,分析了劈裂环的缺口取向和对称性破缺程度对其Fano共振特性的影响.结果表明,当缺口方向平行于二聚体中心连线时,劈裂环的奇数阶和偶数阶模式均能与圆盘的偶极模式作用产生Fano共振,且随着劈裂环的进一步破缺,更多的偶数阶Fano共振能被激发出来;但...     

垂直入射条件下厚金属环结构的负磁导率与左手材料行为

用矩形波导法实验研究了微波垂直入射于具有一定厚度的金属铜圆环结构的微波电磁响应行为.结果表明,当金属铜环的厚度增加到一定值时,在中心频率为145GHz处出现透射禁带,并且相位在透射禁带处发生跃变.采用双各向异性媒质理论计算了铜圆环结构的磁导率随频率变化关系,在透射禁带处磁导率为负.对厚金属圆环与金属线一一对应组合的样品,微波沿环面垂直入射时测量到左手透射通带和相位超前,通带带宽达到15GHz,强度为-21dB. 关键词： 负磁导率 垂直入射     

Investigation of ring resonators in photonic crystal circuits

In this paper, we propose the implementation of waveguide-coupled ring resonators in photonic crystal integrated circuits. Using two-dimensional finite difference time domain (2D FDTD) method, we study the spectral characteristics of a waveguide-coupled ring carved in two-dimensional photonic crystal of square lattice (2D SLPC) and based on the results, we suitably modify the structure geometry to establish its performance as a ring resonator. We further investigate the effects of ring dimension and crystal parameters on the resonance properties of the ring resonator.     

Experimental study of composite medium with simultaneously negative permeability and permittivity

Inclassicalelectrodynamics,theresponse(typicallyfrequencydependent)ofamaterialtoelectricandmagneticfieldsischaracterizedbytwofundamentalquantities,thepermittivityeandthepermeabilitym.Bothmandearepositiveinmostmaterials.In1968,Veselago[1]predictedthattheelectromagneticwavepropagationinamediumhavingsimultaneouslynegativepermittivityandpermeabilityshouldgiverisetoseveralpeculiarcharacteristics.Butnoneofhispredictionsweretestedduringthelastcentury,becausenonaturalmaterialswithsimultaneouslynegativ…     

Guided mode resonance in planar metamaterials consisting of two ring resonators with different sizes

We proposed and experimentally investigated a two-ring-resonator composed planar hybrid metamaterial(MM), in which the spectra of guided mode resonance(GMR) and Fano resonance or EIT-like response induced by coherent interaction between MM resonance and GMR can be easily controlled by the size of the two rings in the terahertz regime.Furthermore, a four-ring-resonator composed MM for polarization-insensitive GMRs was demonstrated, where GMRs of both TE and TM modes are physically attributed to the diffraction coupling by two ±45° tilting gratings. Such kind of device has great potential in ultra-sensitive label-free sensors, filters, or slow light based devices.     

从电磁感应定律看负磁导率的产生过程

以左手材料中产生负磁导率的开口谐振环结构模型为例,从磁导率的定义出发,借助于电磁感应定律,推导了负磁导率的产生过程.     

同心椭圆柱-纳米管结构的双重Fano共振研究

提出了一种同心椭圆柱-纳米管复合结构,该结构由金纳米管中内嵌椭圆形金柱构成,利用时域有限差分法分析了尺寸参数、周围环境及纳米管内核材料对该结构光学性质的影响.结果表明,调节椭圆柱芯的旋转角度可产生双重偶极-偶极Fano共振,其主要是由椭圆柱芯的纵向或横向偶极共振模式与纳米管的偶极成键和反成键模式杂化形成的超辐射成键模式和亚辐射成键模式之间的相互作用产生的,且共振特性可通过调节复合结构的尺寸参数控制,随椭圆柱长轴或短轴的增大而红移,随纳米管外径的增大或整体尺寸的减小而蓝移,当纳米管内径增大时高频Fano共振随着红移,而低频Fano共振先蓝移再红移,同时其对外界环境的变化不敏感,但对纳米管内核材料变化有着较好的响应.利用等离激元杂化理论对该现象进行了解释.这些结果可为构造其他类型的多波段Fano共振二维或三维纳米结构提供一种新的方式.     

Extension of grid separation in the finite difference time domain analysis for predicting time-resolved reflectance of an optical pulse from scattering medium with non-scattering regions

Extension of grid separation in the finite difference time domain (FDTD) analysis has been proposed for predicting time-resolved reflectance of an optical pulse from scattering medium with non-scattering (clear) regions. Grid separation in the previous FDTD analysis formulated by the author was limited to less than 0.5 mm. By introducing the alternative boundary conditions proposed by the author at the surface of scattering medium, the grid separation limit has been extended up to 1 mm. As a result, necessary time to analyze time-resolved reflectance has been reduced to less than a sixtieth without degrading numerical accuracy.