双负材料在光波导中的特性研究

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1968年前苏联物理学家Veselago及其有创意地提出,在ε和μ同时为负时,Maxwell方程仍然成立,称这种物质为双负材料(DNM),并且指出这种物质具有一系列反常的电磁特性如:左手特性、负折射效应、逆Doppler效应、反切连科夫效应等。自2001年Smith等根据Pendry的理论模型,首次人工制备出微波波段具有负介电常数、负磁导率材料开始,这种具有奇异电磁特性的新型材料已经成为当前研究的一个热点。随着实验室制备双负材料方法的不断改进,双负特性的的频段已经有很大的扩展,2006年M. S. Wheeler等人成功制备出红外波段的双负材料,光波段的双负材料的制备和研究成为新的热点。其中一个重要的研究方向就是双负材料在光波导中的应用。本文从Maxwell方程出发,对由双负和普通介质构成的三层、五层平板波导的传输特性进行了研究。本文所做的创新工作主要有:1)详细讨论了两种由双负以及普通介质材料构成的非对称三层平板波导的导模和表面模,发现了一些不同于以往双负及传统材料波导的新奇特性。如:当衬底层为双负材料时,对于导模,基模一直存在,但是一般存在于较低的归一化频率范围内;—阶模与高阶模形式相同,在截止频率附近出现模式共存现象;有时基模也存在模式共存;分类讨论不同参量对于表面模的影响,发现TE0模式只存在于一种情况。覆盖层为双负材料时,对于导模,如果参量选取合适TE0模就会存在,甚至会出现在高归一化频率范围。一阶模与高阶模形式相同,与普通平板波导类似,没有模式共存现象。分类讨论了不同参量对于表面模的影响,发现TE1模式只存在于一种情况。另外还发现两种模型的TE1表面模色散曲线都与TE0导模色散曲线完美连接在一起,如同一个完整的模式。2)对双负材料填充的非对称五层平板波导进行了研究,推导了TE和TM导模的色散方程、传输功率、归一化z向功率流、有效波导层厚度等一些表征平板波导的重要物理量表达式。并给出了相应的色散曲线、场分布、有效波导层厚度和归一化功率传输曲线。
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