一个基于金属超材料的微波段变换光学器件研制

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电磁超材料因为具备自然界中天然材料所不具备的特殊性质,已经逐渐发展成为一个新兴的、多学科领域交叉的研究内容,关于超材料的理论研究和实验表征都已经成为近年来各国研究学者探究的热点之一。在过去的研究中,超材料的人工磁性和负折射率性质已经被证明是有别于天然界自然材料的两种特殊行为类型,在不断拓展科学研究的视野后,研究表明可以通过调节各种层次的有序结构从而实现对电磁物理量的控制,电磁超材料被发现呈现出越来越多的性质和可应用特性。基于超材料的变换光学近年来已经逐渐发展成为光学与材料学的一个重要分支。变换光学是利用坐标变换设计任意调控光行走的光学介质的理论,其核心思想是通过控制折射率的连续分布对光子的传播进行无界面反射的调控。本论文对一个基于金属超材料的微波段变换光学器件进行研究和分析,主要安排如下:第一章,课题的研究背景及国内外研究进展。简单介绍超材料和变换光学的背景和发展,以及完美透镜、近零折射率材料的应用和研究现状。第二章,我们介绍了本论文实验表征所基于的波导管原理,并着重分析了TE10模式下反射系数和透射系数的推导过程,还介绍了本论文仿真模拟所运用的有限时域差分算法和有限元分析方法。第三章,通常在设计随空间位置变化的近零参数的变换光学器件时,采用数值仿真多种尺度变化的超材料结构单元的做法,根据反演算出的等效电磁参数来进行器件设计,实际上并未在实验上对这些超材料结构单元的所有变化尺度的样品进行实验表征,本章节中主要对不同物理尺度的H分形基本结构单元的微波超材料样品进行逐一测试并比较其分形结构参数。在此研究基础上设计出一种新颖的变换光学器件——由内及外伊顿透镜,由于源点与像点只需要放置在空气背景里,不再需要放置在电介质或者超材料背景介质中,使实际加工和实验表征都变得更为便利。第四章,对各向同性三维电介质超材料的负磁导率特性进行仿真模拟和分析,主要针对微波频段和太赫兹频段范围的性质进行讨论。
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