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本文结合当前电磁波研究领域的太赫兹技术等热点问题,选择能工作在太赫兹频段且具有一定可调性等优点的材料——外加恒定磁场作用下的半导体等离子体,即:旋电介质作为研究对象,比较全面的研究了电磁波在旋电介质中的传播特性。主要研究内容如下:
⑴研究了电磁波在旋电介质中传播的基本特性。根据麦克斯韦方程在kDB坐标系下推导了各种结构下的旋电介质中平面波的色散关系:得出Voigt结构的旋电介质中平面波可以分解为TE波和TM波,同时得到旋电介质中的TM波与各向同性介质中相比的独特之处,为以后的研究奠定基础。
⑵研究了电磁波在旋电介质表面的传播特性。针对旋电介质与各向同性介质的分界面,得出外加磁场对TM波的反射和透射的影响情况,然后分四种不同情况,对一种特殊的旋电介质——单轴等离子体的分界面存在表面磁性等离体激元的条件和相应的坡印廷矢量进行了研究。得出表面波的存在取决于介质的参数、工作频率以及光轴的方向,另外,得到了在各向同性介质和旋电介质中出现反向波的条件。
⑶研究了电磁波在旋电介质条形波导中的传播特性。针对受外加磁场影响的TM波,本文从反射系数出发,计算出相应的Goos-Hanchen相移角,得到旋电介质条形波导中实现导波的条件,与前人的结论等效。之后,本文引入与Goos-Hanchen相移角相关的“穿透距离”和“等效波导厚度”的概念,很好地解释了在对称结构下不对称场分布出现的原因,继而发现了在旋电介质中可能有正负能量流动同时存在的现象。
⑷研究了电磁波在旋电介质条的反射和透射特性。推导了电磁波从各向同性介质入射到旋电介质条的反射和透射系数,并计算了反射波和透射波各自在介质条两侧产生的Goos-Hanchen侧位移。本文发现在TM入射波情况下,即使是无损的介质和对称结构情况下,透射波的侧位移与反射波的侧位移也不相等。而且,在选定的频带范围内,当入射角度接近布儒斯特角时,反射波在实现数值较大且可正可负的侧位移的同时,还可以有相对较大的反射率。
⑸研究了基于旋电介质的可调TE/TM波分离器的设计。根据TE和TM波的不同的色散关系和反射透射特性,本文用简单的旋电介质条实现了不同工作频率下的阻TE或者阻TM的线性偏振器,同时,在选择好入射角度以后,它还可以实现透射波的全透射,即:用作波分离器。仿真结果证实了理论的正确性。
⑹利用坐标变换原理,设计了旋电介质中的圆柱形隐身斗篷材料,仿真结果与理论符合很好。