人工電磁超常材料中光和電磁波的傳輸與控制.pdf

1、光是一種電磁波，由電場和磁場兩個分量組成，可形象地說光有兩只“手”。但光在常規(guī)介質(zhì)中傳播時，相對于電場分量來說，磁場分量因與原子的相互作用通常很弱而被忽略，超常材料的磁響應(yīng)特性使光和電磁波在其中傳輸?shù)拇艌龇至恳沧兊梅浅Ｖ匾?，甚至與電場分量同等重要，這就為光和電磁波的傳播提供了另一只“操控手”。另外，與常規(guī)材料不同，人工電磁超常材料的電磁響應(yīng)特性主要由其構(gòu)成單元的幾何形狀、尺寸、排列方式、嵌入物等決定，且可根據(jù)需要人為設(shè)計，這又為操控光和

2、電磁波的傳輸提供了極大的自由度。本論文緊緊抓住超常材料的磁響應(yīng)特性和電磁特性可人為設(shè)計兩大關(guān)鍵因素，系統(tǒng)研究超常材料中光和電磁波的傳輸與控制，揭示了光和電磁波傳輸?shù)娜舾尚卢F(xiàn)象，提出并證明了若干控制光和電磁波傳輸?shù)男陆Y(jié)構(gòu)或器件。主要創(chuàng)新點如下：
　　 第一，建立了超常材料中超短電磁脈沖傳輸?shù)奈锢砟Ｐ?，揭示了超常材料磁響?yīng)特性影響超短電磁脈沖傳輸?shù)臋C理，提出并論證了反常自陡峭效應(yīng)和高階非線性色散效應(yīng)及其導(dǎo)致的新的非線性光學(xué)現(xiàn)象。

3、r>　　 基于傳統(tǒng)的非線性光學(xué)原理，結(jié)合超常材料的色散磁共振行為，建立了超常材料中超短電磁脈沖傳輸?shù)奈锢砟Ｐ停⑵渫茝V到有Raman延遲響應(yīng)和損耗的情形，同時將理論模型拓展到多個脈沖同時傳輸時交叉相位調(diào)制的情況，這些模型的建立為研究超常材料中超短脈沖的非線性傳輸，包括孤子物理、調(diào)制不穩(wěn)定性現(xiàn)象、孤子自頻移以及超連續(xù)的產(chǎn)生等奠定了理論基礎(chǔ)。揭示了反常自陡峭效應(yīng)和高階非線性色散效應(yīng)產(chǎn)生的機制，由于色散介電常數(shù)和磁導(dǎo)率融入到非線性極化和磁

4、化中，導(dǎo)致了可控的電、磁自陡峭效應(yīng)及高階非線性色散項；揭示了反常自陡峭效應(yīng)和高階非線性色散效應(yīng)對孤子傳輸特性的影響：負的自陡峭效應(yīng)導(dǎo)致了脈沖峰值往前沿的移動，并使頻譜出現(xiàn)與傳統(tǒng)介質(zhì)中自陡峭效應(yīng)完全相反的變化過程；二階非線性色散與群速度色散對孤子傳輸?shù)淖饔眯Ч愃?，可以部分代替線性色散的作用實現(xiàn)孤子穩(wěn)定傳輸所需要的平衡條件。
　　 第二，系統(tǒng)研究了光和電磁波的若干傳輸特性與超常材料電磁特性參數(shù)之間的關(guān)系，揭示了調(diào)制不穩(wěn)定性和孤子的

5、產(chǎn)生和調(diào)控規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了反常的調(diào)制不穩(wěn)定性現(xiàn)象，顛覆了傳統(tǒng)的調(diào)制不穩(wěn)定性的產(chǎn)生條件。
　　 揭示了超常材料中的若干反常調(diào)制不穩(wěn)定性現(xiàn)象：自陡峭系數(shù)使調(diào)制增益值減小但與其符號無關(guān)，并使臨界頻率和最快增長頻率往低頻移動；二階非線性色散的出現(xiàn)顛覆了調(diào)制不穩(wěn)定性的產(chǎn)生條件，導(dǎo)致了在自聚焦介質(zhì)的正常色散區(qū)，甚至在零線性色散情形，有可能產(chǎn)生調(diào)制不穩(wěn)定性；負折射的出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)了衍射項的符號，導(dǎo)致了空間調(diào)制不穩(wěn)定性只出現(xiàn)于自散焦非線超常材料中，使得各

6、種非線性與色散的組合情形下時空調(diào)制不穩(wěn)定性均能發(fā)生；飽和非線性參數(shù)將抑制調(diào)制不穩(wěn)定性的產(chǎn)生，還改變了產(chǎn)生調(diào)制不穩(wěn)定性的自陡峭系數(shù)和二階非線性色散系數(shù)的范圍；相速度和能量速度的反向特性導(dǎo)致了超常材料定向耦合器中出現(xiàn)了有效的反饋機制，使得調(diào)制不穩(wěn)定性受到耦合器通道的前后向功率、入射功率和非線性參數(shù)的嚴(yán)重影響，我們還發(fā)現(xiàn)，調(diào)制不穩(wěn)定性的閾值條件只存在于正常色散區(qū)。
　　 第三，率先討論了超常材料的線性損耗和非線性磁化引起的非線性吸收效

7、應(yīng)和非線性折射率增強效應(yīng)，首次獲得了超常材料中的孤子自頻移和色散波等非線性光學(xué)現(xiàn)象的產(chǎn)生和調(diào)控規(guī)律，為寬帶光源和超連續(xù)的產(chǎn)生提供了新的手段。
　　 揭示了超常材料的色散磁導(dǎo)率和非線性磁化率對非線性吸收和非線性折射的影響：由于超常材料中線性損耗、色散磁導(dǎo)率以及非線性磁化的相互作用，使得非線性吸收系數(shù)甚至可以在不存在非線性極化率虛部時也能出現(xiàn)，同時非線性折射率也獲得了極大的增強：首次研究了非線性超常材料中的孤子自頻移現(xiàn)象，我們發(fā)現(xiàn)：

8、負自陡峭系數(shù)增強孤子自頻移而正自陡峭系數(shù)抑制孤子自頻移，正三階色散系數(shù)也將抑制孤子自頻移；首次研究了超常材料的色散波的產(chǎn)生和調(diào)控手段：當(dāng)三階色散為正時，正自陡峭系數(shù)使得色散波的頻譜變窄、頻移藍移和峰值功率增強，負自陡峭系數(shù)使得色散波的脈沖頻譜展寬、頻移紅移和峰值功率減弱；當(dāng)三階色散為負時，負自陡峭系數(shù)使得色散波的頻譜變窄、頻移紅移和峰值功率增大，正自陡峭系數(shù)使得色散波頻譜展寬、頻移藍移和峰值功率減弱。超常材料中孤子自頻移和色散波的可控性

9、為寬帶光源和超連續(xù)的產(chǎn)生提供了新的方法。
　　 第四，發(fā)展了含超常材料多層結(jié)構(gòu)中全向電磁帶隙的帶邊公式，提出了幾種寬帶全向電磁帶隙的設(shè)計和調(diào)控方法，實現(xiàn)了具備完全傳輸和可控模數(shù)特性的高Q值全向濾波器和獨立可調(diào)的全向多通道濾波器。
　　 零均折射率帶隙和零有效相位帶隙對電磁波的反射具有全向特性，成為了近年研究的熱點。但缺乏衡量電磁帶隙寬度和帶邊頻率的有效方法，也缺乏電磁帶隙的主動調(diào)控手段。為了解決這些問題，我們從推導(dǎo)電磁帶

10、隙的帶邊公式入手，建立了帶邊頻率和帶隙寬度與超常材料的電磁參數(shù)之間的關(guān)系，揭示了帶邊頻率和帶隙寬度的主動調(diào)控規(guī)律，并提出了幾種擴展全向電磁帶隙寬度的有效方法，為實現(xiàn)寬頻帶全向電磁帶隙提供了理論基礎(chǔ)。此外，結(jié)合分形結(jié)構(gòu)中缺陷模的獨立可調(diào)性和超常材料周期結(jié)構(gòu)中電磁帶隙的全向特性，采用由負折射超常材料和常規(guī)材料構(gòu)成的分形結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了獨立可調(diào)的全向多通道濾波器；利用兩類單負材料構(gòu)成的光子異質(zhì)結(jié)構(gòu)，當(dāng)系統(tǒng)滿足零均介電常數(shù)和零均磁導(dǎo)率條件時，在不引入

11、缺陷層的情況下，實現(xiàn)了具備完全傳輸和可控模數(shù)特性的高Q值全向濾波器。第五，系統(tǒng)研究了各向異性超常材料中若干反常的傳輸現(xiàn)象，獲得了反常的全反射現(xiàn)象和負的Goos-Hanchen效應(yīng)的產(chǎn)生條件，提出了負的光子隧穿時間和橫向位移的增強方法。發(fā)現(xiàn)了各向異性超常材料中新的全向電磁帶隙。
　　 獲得了各向異性超常材料中全反射現(xiàn)象發(fā)生的基本條件，揭示了反截止介質(zhì)中不同于常規(guī)介質(zhì)的反常的全反射現(xiàn)象和布儒斯特角：當(dāng)入射角小于臨界角時，全反射才能發(fā)

12、生；且當(dāng)入射波從光疏介質(zhì)入射到光密介質(zhì)時，任何方向入射的電磁波都將被全反射；布儒斯特角明顯大于臨界角。利用穩(wěn)定相位理論研究了不確定超常材料中新奇的Goos-Hanchen效應(yīng)，獲得了負的Goos-Hanchen位移的產(chǎn)生條件和控制手段。利用穩(wěn)定相位理論還得到了光子隧穿經(jīng)過不確定超常材料薄層時的負的隧穿時間和橫向位移，發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)不確定超常材料勢壘足夠薄時，才可能發(fā)生隧穿現(xiàn)象；反截止介質(zhì)中的隧穿時間和橫向位移均為負值，當(dāng)考慮超常材料的損耗，