负折射率超材料实现光线增强

不久前,美国研究人员研制出一种可增强光线的负折射率超材料,从而扫除了超材料在光学技术领域大展拳脚的根本障碍。新研究预示着,研究人员能据此研发出功能超强的显微镜、计算机甚至隐形斗篷。     

极化磁化方程与负折射率材料

在新的极化磁化方程的基础上,在线性各向同性介质中,导出相对介电常数与相对磁导率之间的关系,解释极化现象和磁化现象是完全对称的,相对介电常数与相对磁导率可以同时为负,不可以一正一负．给出了介质中的洛仑兹力公式．根据能量守恒定律、介质中的洛仑兹力公式、介质极化磁化方程以及法拉第电磁感应定律,导出介质中的能流密度和介质中的能量密度．指出相对介电常数与相对磁导率同为负时,介质中能量密度仍为正．     

含负折射率材料的宽带全方位反射镜

利用传输矩阵方法模拟了正负折射率材料交替生成的多层膜体系的反射率对不同偏振模式的角度和频率响应。结果表明,该体系具有很宽的反射带,并且反射带不会随着入射角度的变化而发生平移,可以用来制作高品质的宽带全方位反射镜。     

“巨”型负磁导率材料的优化设计

针对单回路＂巨＂型负磁导率材料结构和设计要求,基于神经网络和遗传算法理论进行了结构优化设计.通过正交实验法选出了负磁导率材料结构参数样本;利用HFSS得到的仿真实验样本对BP神经网络进行训练,建立了结构参数和结构性能之间的映射关系;根据设计要求定出相应的适应度函数表达式,经过遗传进化得到了优化的负磁导率材料结构参数.     

含负折射率材料的光量子阱频率特性研究

基于平均折射率为零的光子晶体的能带理论和负折射率材料的频率响应特性设计了特定频段的光量子阱结构,并对频率响应特性随阱宽和阱内材料的变化规律进行了对比和分析.该量子阱不仅具有折射率为零的光予晶体的带隙优点,还具有局域模调控简单的特点.实验结果与理论结果相符合.     

在负折射率材料中的Goos-hnchen位移

左手介质具有不同的电磁特性,光入射到RHM-LHM界面上发生全反射时,将会发生一些违反“常规”的现象.本文计算了Goos-hnchen位移,并证明了在RHM-LHM界面,Goos-hnchen移位总是负的,与能流的方向一致.     

负泊松比负热膨胀超材料微结构拓扑优化设计

提出一种拓扑优化设计方法,用于设计同时具有负泊松比和负热膨胀系数的超材料.超材料是人工设计的复合材料,由微米或纳米结构的周期性阵列组成,并具有天然材料难以具备的超常物理性质.基于拓扑优化理论,建立了一个表示多材料微观结构的多相边界的水平集模型,并采用数值均匀化方法来计算微观结构的等效性能,然后通过参数化水平集优化方法实现边界形状的演变和拓扑结构的设计.通过两个数值算例,给出超材料微结构材料分布的优化结果,证明了设计方法的可行性,为实现具备特殊性能的人工材料设计提供了一套系统的设计方法.     

盘绕型声学超构材料的近零折射率特性研究

近零折射率材料是一类等效质量密度和等效体模量的倒数同时趋于零或者其中之一趋于零的声学超构材料,在近零折射率声学超构材料中声波会表现出声速无穷大、高效声传输等特性,这些特性为声波调控带来了一些独特的应用.以圆形盘绕型结构为基本单元,该基本单元通过对空间的卷曲和盘绕,大大增加了声波在单元中的传播路径.通过对单个圆形盘绕型基本单元的等效参数进行计算,得到基本单元近零折射率特性所对应的频率点,以具有此近零折射率特性的结构为基本单元来构造声学超构材料.通过利用超构材料对刚性散射体进行不同方式的包裹以实现声隐身效应.此外,利用该基本单元对不同形状的弯曲波导管进行填充实现了声波隧穿效应.     

负折射率材料及其在THz频段的应用研究

负折射率材料是一种重要的新型人工合成材料,其主要特征是介电常数和磁导率都小于零,本文介绍了负折射率材料的物理机理及其在微波波段基础研究的最新进展,并对在THz频段的研究前景进行了分析。     

含负折射率材料光子晶体耦合腔的传输特性

基于三分Cantor分形多层序列结构,设计了一种一维光子晶体耦合腔结构.用传输矩阵法研究了当引入的缺陷介质为负折射率材料时,该晶体耦合腔的传输谱和场局域化特征;在透射谱中得到了一个半高宽仅为0.19 nm的超窄透射窗口,通过曲线拟合得出了缺陷层折射率与超窄透射窗口位置之间的非线性解析关系.新耦合腔结构在光通信超密集波分复用和光学精密测量等领域中有一定的应用价值.     

在负折射率材料中的Goos-h(a)nchen位移

左手介质具有不同的电磁特性,光入射到RHM-LHM界面上发生全反射时,将会发生一些违反"常规"的现象.本文计算了Goos-h(a)nchen位移,并证明了在RHM-LHM界面,Goos-h(a)nchen移位总是负的,与能流的方向一致.     

加载超材料单元的小型化双频带缝隙天线

文章提出了一种适用于无线局域网（WLAN）的小型化双频带缝隙天线。天线采用50欧姆的微带线馈电,接地板上的圆形缝隙产生高频,同向开口谐振环组成的超材料单元产生低频。天线整体尺寸为30×30 mm²（0.24λ₀×0.24λ₀,λ₀是低频时自由空间的波长）。测量结果表明,天线工作在WLAN的2.4 GHz和5 GHz频段,-10 dB带宽分别为4.07%（2.41 GHz～2.51 GHz）和20.64%（4.78 GHz～5.88 GHz）。天线在两个工作频段的E面辐射方向图为8字形,H面呈全向性。     

从负折射超材料到光学隐身衣

1964年俄罗斯科学家V.Vesalago从Maxwell方程组出发断言具有负折射率的左手材料(LHM)可以存在,1996年和1999年J.Pendry提出了LHM的初始设计。2000年D.Smith制成首个LHM,它可把微波波束弯折到与常规的不同方向。近年来LHM吸引了人们的兴趣,它也称为超材料,但在自然界并不存在。它可变更电磁波传播,从而造成负折射甚至隐形。一个时期以来,在微波和光频进行的隐身斗篷实验是2D或3D的,它们与通常的隐形方法显著不同。LHM的其他应用如左手传输线、成像技术等。本文首先对负折射研究和隐身衣设计的历史和进展作回顾,进而讨论了这些领域中理论与实验工作的意义。可以看出负折射问题是非常复杂的。还讨论了负折射与负波速、负折射与负GH位移的关系。     

含负折射率材料的一维光子晶体中的全向缺陷模

发现由正、负折射率材料交替堆叠构成的一维光子晶体中的零平均折射率(zero-n)带隙中的缺陷模具有3种类型的角度色散,分别为正色散、负色散和近零色散。利用近零色散特性可实现全向缺陷模,此缺陷模的频率在任意角度下均保持不变。研究了具有近零色散的缺陷模与光子晶体的结构参数之间的关系。通过改变光子晶体的结构参数,对缺陷模的近零色散进行优化,实现了分别对应TE波或TM波的单偏振全向缺陷模。此外,发现全向缺陷模的频率不对应光子晶体平均折射率为零的频率,全向缺陷模为光子晶体器件(如全向滤光片)的设计提供了新的思路。     

含负折射率材料缺陷的一维光子晶体的透射性质

利用传输矩阵方法模拟了含负折射率材料缺陷的多层膜体系的透射率,发现这种结构具有高Q值的多共振透射峰。     

负折射率透镜的成像规律

针对在理解负折射率材料中光波的传播特性时相位的特殊性质,详细分析推证了由负折射率介质制成的透镜的成像特点及其规律,并与正折射率介质透镜的成像进行了比较。分析结果表明负折射率介质透镜与正折射率介质透镜的成像原理一致,但它们对光线的汇聚或发散作用是相反的。     

含负折射率材料的一维光子晶体光学传输特性研究

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.     

负折射率介质中的倏逝波

利用平面波的角谱理论,得出了倏逝波在负折射率介质中的频谱传播公式,并对倏逝波在负折射率介质中的放大效应给予物理解说,最后,从理论和计算机模拟实验方面验证了公式的正确性.     

含负折射率光学透镜传感器

基于激光光线传输矩阵,研究了高斯光束通过不同折射率透镜后,出射光波束腰位置,出射、入射束腰半径大小之比同入射光波束腰位置的定量关系,结果表明:入射光束束腰位置和透镜折射率均可影响高斯光束的输出光学参量.在此基础上,设计了一种光电传感器用于检测蔗糖溶液浓度,定量研究了溶液浓度和出射高斯光束腰位置的对应关系,相关统计参量表明这类传感器可以实现对溶液浓度的高精度测量.     

密度为零的零折射率声学超材料研究

以普通波导管内部嵌入弹性薄膜为基本单元结构,构造了零折射率声学超材料.研究表明,在频率为fm=453.64Hz时能实现等效质量密度为零的零折射率超材料.在零折射率超材料两端接上截面积较大的普通波导管构造了复合零折射率超材料,利用声传输线理论和声阻抗匹配理论,分析了该复合超材料中能量传输和轴向声压分布情况.理论和仿真结果表明:尽管在零折射率超材料与普通波导管之间存在极大的几何不匹配,系统在输入声波频率为fm和Fabry-Pérot(FP)共振频率时能实现声波完全传输,且在频率fm处具有相位超耦合和传输增强等特性.除此之外,当改变复合超材料中零折射率超材料的长度D和弯曲角度θ时,发现其在频率为fm时所具有的特性不变,而FP共振频率的大小会随零折射率超材料长度的变化而改变.