具有零相移传输性质的超材料研究

零相移传输材料可以实现光波在数百波长传播而不引起相位变化,从而减弱了波的频谱色散问题,提高了波导间的耦合效率,因而成为光功能材料研究的热点.结合本课题组的研究工作,本文从理论和实验研究两方面对零相移传输超材料的最新进展和研究热点进行了全面地总结和评述,根据相位调制机理不同对各种零相移超材料进行了分类和归纳,进一步客观分析了各种实现方法的优、缺点及目前研究中存在的问题,并展望其未来发展方向.相关研究对拓展零相移基础物理学研究和光学器件设计具有重要意义.     

基于双负介质结构单元的零折射率超材料

以连通长杆加树枝结构为基本单元模型,制备出折射率为零的超材料,并研究其电磁特性.首先考察了连通长杆加单级树枝的情况, 调节结构单元的几何参数可使其在频率f =9.5 GHz处实现有效介电常数和有效磁导率同时从负值趋于零点, 从而得到折射率n=0.同时也研究了单级树枝长度及夹角对零折射率超材料电磁参量的影响. 最后考察了树枝结构为二级和三级的情况,发现通过调节各单元的结构参数,均能得到在同一频率点处介电常数和 磁导率同时为零的零折射率超材料.     

零折射率超材料对喇叭天线波前相位的改善

为改善喇叭天线波前相位,获得更高的增益,提出一种3层金属网格零折射率超材料结构,将其加载到喇叭天线口径上。理论分析和提取的等效折射率表明,在7.1 GHz附近,该结构的电磁波的频率接近等离子体频率,从而使得其等效折射率接近于零,并通过劈尖仿真验证了这一零折射零的特性。当其作为喇叭天线的覆层时,喇叭天线的波前相位由球面波被调制为均匀平面波,方向图波束角变窄、旁瓣降低,并且增益提高2.6 dB。这种零折射率超材料结构调制喇叭天线波前相位的作用,为改善喇叭天线的波前相位从而实现更高增益提供一种思路,有一定的应用前景。     

基于双U形结构的零折射率超材料

在介质基板刻蚀的金属线和金属化过孔组成双U形结构模型,仿真计算及电磁参数反演结果表明,当电磁波垂直入射时,该结构在频率f=7.63 GHz附近等效介电常数和等效磁导率实部同时接近零,从而得到了折射率为零的超材料,实验测试与仿真结果基本一致.同时,为了实现对零折射率响应频点的调节,分析了单元结构的金属过孔间距及U形结构脚长的变化对零折射率特性的影响,发现改变单元结构参数可改变零折射率响应频点.这种可调双U形零折射率超材料单元结构简单,可应用于微波器件等领域.     

零折射率材料的物理与应用

零折射率材料因其异常的电磁/光学特性在电磁波操控、新型天线和波导器件、非线性光学、光学吸收、电光调制等领域有着广泛的应用前景。文章首先介绍了零折射率材料的分类和实现方法,然后总结了零折射率材料的基本概念和电磁/光学特性,包括电磁波在零折射率材料中的折射、反射特性和“隧穿”效应,掺杂杂质对二维和三维体系的零折射率材料的影响,各向异性零折射率的电磁特性,零折射率材料内外的电场分布特性;最后介绍了零折射率材料的部分典型应用,并对零折射率材料的研究进行了展望。