单轴特异材料平板波导中波导模的色散特性研究

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近年来对特异材料的研究变得越来越热门,它是由金属直导线和开口谐振器嵌入一个克尔非线性介质组成的一种新型人工合成材料。特别是同时具有负磁导率和负介电常数的左手材料,出现了许多奇异的电磁特性。这种特异材料的出现具有划时代的意义,为电磁波领域开辟了全新的道路,其应用空间的广阔是无法估量的,比如完美透镜成像,隐身材料等方面。金属波导是在通信领域运用比较频繁,其传输特性随着其结构的不同而发生改变。本文主要的研究对象为金属包层单轴特异材料平板波导。  主要工作如下:  从单轴晶体的特征出发,在麦克斯韦方程组的基础上,我们研究了单轴特异材料介质波导,并推导出其色散方程,这为后面的金属波导的研究提供了理论基础。  本文主要研究了中间填充了单轴特异材料这种介质的金属包层波导的色散特性,包括色散关系,群速度,以及能流密度关系;随着光轴与波导界面的方向夹角的不同,出现了后向波,群速度为负或者接近零,表现出与常规材料所不同的特性,也就是说,当光轴的方向选择合适时,在模式场会出现两条色散曲线,一条是正常色散曲线,一条是反常色散曲线。随着频率的变化,会出现后向波向前向波转变的现象。同时我们证明了截止频率存在的条件,并对TE波考虑了当耗散存在时的色散特性,电场和磁场振幅分布情况。这些研究表明特异材料在光信息处理、光通信、集成光学和纳米光子器件中具有潜在的应用价值。  为了简便,本文分别对TE波模和TM波模进行了研究,并结合麦克斯韦方程,推导出色散方程的基础上,讨论其色散特性。  本文共分五章,主要内容如下:  第一章,介绍特异材料的基本性质、结构、概念、目前对特异材料研究的应用和进展以及与本文内容相关研究的介绍。  第二章,对单轴晶体特性分析和对特异材料的结构以及特异材料介质波导的色散关系进行研究,并推导出其色散方程。  第三章,理论推导出金属包层单轴特异材料中TE波模的色散方程,同时结合图形分别讨论分析特异材料两种结构时的电场磁场的振幅分布情况,群速度,能流密度关系,并对其截止频率做了相应分析。  第四章,理论推导出金属包层单轴特异材料中TM波模的色散关系,并结合图形分别讨论分析不同结构的群速度,能流密度关系,对截止频率也做了相应分析。  第五章,总结本文所研究的的主要内容,列出所得结论,以及对实际应用的展望,并对后续研究做了说明。
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