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零折射率材料的物理与应用

物理 2019年第7期48卷 426-437页

作者：罗杰赖耘南京大学物理学院固体微结构物理国家重点实验室人工微结构科学与技术协同创新中心南京210093 苏州大学物理科学与技术学院苏州215006

零折射率材料因其异常的电磁/光学特性在电磁波操控、新型天线和波导器件、非线性光学、光学吸收、电光调制等领域有着广泛的应用前景。文章首先介绍了零折射率材料的分类和实现方法,然后总结了零折射率材料的基本概念和电磁/光学特性,... 详细信息

零折射率材料因其异常的电磁/光学特性在电磁波操控、新型天线和波导器件、非线性光学、光学吸收、电光调制等领域有着广泛的应用前景。文章首先介绍了零折射率材料的分类和实现方法,然后总结了零折射率材料的基本概念和电磁/光学特性,包括电磁波在零折射率材料中的折射、反射特性和"隧穿"效应,掺杂杂质对二维和三维体系的零折射率材料的影响,各向异性零折射率的电磁特性,零折射率材料内外的电场分布特性;最后介绍了零折射率材料的部分典型应用,并对零折射率材料的研究进行了展望。

关键词：零折射率材料介电常数近零材料磁导率近零材料电磁波操控

零折射率材料在电磁波偏振与吸收调控上的应用研究

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零折射率材料在电磁波偏振与吸收调控上的应用研究

作者：王敦建苏州大学

学位级别：硕士

零折射率材料作为电磁超材料的一个特殊类型,由于具有近零的相对介电常数和/或磁导率,在电磁波领域展现出了独特而超凡的操控性能。由折射率的定义可知,相对介电常数和/或磁导率趋近于零,折射率也将趋近于零,因而电磁波在零折射率材料... 详细信息

零折射率材料作为电磁超材料的一个特殊类型,由于具有近零的相对介电常数和/或磁导率,在电磁波领域展现出了独特而超凡的操控性能。由折射率的定义可知,相对介电常数和/或磁导率趋近于零,折射率也将趋近于零,因而电磁波在零折射率材料中的有效波长无限大。这一显著特性,为人们在电磁波、光波及声波领域的操控提供了极大的助力,也因此激起了人们研究的热潮。本论文将具体讨论零折射率材料在电磁波偏振分束器和相干完美吸收领域的应用。内容如下:一、基于等效各向异性零折射率材料实现偏振分束器当金属-电介质复合结构的平均介电常数为零时,可以看作是等效各向异性的零折射率材料。研究发现,对于横电偏振的电磁波,其等频率曲线为一很小的圆,而对于横磁偏振的电磁波,其等频率曲线则为两支抛物线,这一奇特的色散关系是由表面等离子体激元诱导的非局域效应引起的。利用等效各向异性零折射率材料在不同偏振电磁波下等频率曲线表现出的巨大差异,我们设计了三种偏振分束器,其中包含厚度远小于波长的超薄偏振分束器。二、零折射率材料中嵌入导电薄膜实现相干完美吸收通过在零折射率材料中嵌入超薄导电薄膜实现多通道、与几何形状无关的新型相干完美吸收体。研究发现,这种新型相干完美吸收体的吸收效率只与导电薄膜的长度和材料参数、入射通道的总宽度和入射波相位差有关,而与薄膜的形状和位置、通道的数量和方向都无关。此外,我们还在波导中展示了基于零折射率材料的超薄相干完美吸收体。

关键词：零折射率材料金属-电介质复合结构偏振分束器相干完美吸收

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零折射率材料与等离子体在天线中的应用研究

零折射率材料与等离子体在天线中的应用研究

作者：赵丰南京大学

学位级别：硕士

零折射率材料作为电磁超材料的一种,由于其特殊的电磁特性,作为天线覆盖层时,可以有效提高天线的方向性。而作为等离子体天线,其一个显著特点就是可以对天线参数进行电调。如果将二者结合,使用零折射率材料提高天线的方向性,然后将等离... 详细信息

零折射率材料作为电磁超材料的一种,由于其特殊的电磁特性,作为天线覆盖层时,可以有效提高天线的方向性。而作为等离子体天线,其一个显著特点就是可以对天线参数进行电调。如果将二者结合,使用零折射率材料提高天线的方向性,然后将等离子体放电管引入零折射率材料中,就能够实现对天线方向性的动态调控。本文分为五章,第一章为绪论,其余各章主要工作如下所示:1.第二章设计了金属线型与十字贴片型两种不同类型的零折射率材料。使用等效参数提取法分别从S参数中得到了两者的介电常数、磁导率等等效电磁参数。金属线型零折射率材料在9.37GHz附近的折射率实部为0.05,虚部为0.02;十字贴片型零折射率材料在9.37GHz附近的折射率实部为0.08,虚部为0.04,可以认为在9.37GHz,两种材料都达到了近似的零折射。随后,分别制备了两种材料构成的平板结构,实际对其零折射率特性进行了验证。2.第三章将金属线型与十字贴片型零折射率材料分别加载到喇叭天线端口以提高喇叭天线方向性。仿真结果表明,加载金属线型零折射率材料之后,喇叭天线主要参数都得到了提升:E面半功率宽度从17.9°减少到了 16.8°,H面半功率宽度从18.7°减少到了 13.6°,回波损耗从-26dB减少到了-28.4dB,最大增益从19.5dB提高到了 ***,增益带宽为430MHz。加载十字贴片线型零折射率材料之后,E面半功率宽度从17.9°减少到了 12.4°,H面半功率宽度从18.7°减少到了 15.7°,回波损耗从-26dB减少到了-28.8dB,最大增益从19.5dB提高到了 21.7dB,增益带宽为290MHz。天线在微波暗室实测也证实了零折射率材料对其方向性的提升作用。3.第四章采用两种不同的方案将等离子放电管与零折射率材料相结合,对喇叭天线的方向性进行动态调控。对于金属线型零折射率材料,使用较细等离子体放电管替代其中的铜线,当等离子体放电管处于通电状态时,天线的方向性提高,等离子体放电管处于断电状态时,天线的方向性降低。E面半功率宽度的变换范围为9.3°,H面半功率宽度的变换范围为15.6°,最大增益的变化范围为3.7dB。对于十字贴片型零折射率材料,使用较粗的等离子体放电管对出射电磁波进行反射。当等离子体放电管处于断电状态时,天线的方向性提高,等离子体放电管处于通电状态时,天线的方向性降低。E面半功率宽度的变换范达到19.4°,H面半功率宽度的变换范围达到16.5°,最大增益的变化范围达到4.6dB。4.第五章将等离子体物理、原子核物理相结合,构建了 α粒子等离子体放电管激发等离子体预电离的理论模型。经过计算发现,当放电管的内径为10mm时,均匀涂覆活度为1μCi/cm2的238Pu涂层之后能在管内产生108/cm3数量级自由电子密度,可以使等离子体管的放电建立时间从原来的500ns左右减少到220ns左右。

关键词：零折射率材料等离子体天线方向性 α放射性

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基于近零折射率材料准直和分光器件的设计

激光与光电子学进展 2014年第1期51卷 179-184页

作者：朱宇光方云团胡维礼南京理工大学自动化学院江苏南京210094 常州工学院计算机信息工程学院江苏常州213002 江苏大学计算机科学与通信工程学院江苏镇江212013

由于零折射率介质对于自由空间来说具有零相移和阻抗匹配的特性,因而可以用来控制电磁辐射模式。设计了新型的准直和分光器件结构,该器件建立在近零折射率材料基础上。该结构能实现将散射光转化成准直光束及分光的功能,分光束数、光束... 详细信息

由于零折射率介质对于自由空间来说具有零相移和阻抗匹配的特性,因而可以用来控制电磁辐射模式。设计了新型的准直和分光器件结构,该器件建立在近零折射率材料基础上。该结构能实现将散射光转化成准直光束及分光的功能,分光束数、光束宽度和光束方向可以精确控制。仿真结果表明设计的结构具有完美的性能。

关键词：光学设计零折射率材料准直器分光器

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零折射率材料平板的透射特性研究

大学物理 2019年第5期38卷 15-19,29页

作者：高华魏果果刘美晴郭晓彤王艺璇张强中国地质大学(北京)数理学院北京100083 首都师范大学物理系北京100048 北京市铁路第二中学北京100045

零折射率材料是近几年发展起来的一种新型超构材料.它性质奇特,应用广泛,不仅活跃在科研前沿,也很值得推介到物理课堂.本文从经典电动力学出发,理论分析并数值模拟了零折射率材料内部电场、磁场的分布特性,以及零折射率材料平板的电磁... 详细信息

零折射率材料是近几年发展起来的一种新型超构材料.它性质奇特,应用广泛,不仅活跃在科研前沿,也很值得推介到物理课堂.本文从经典电动力学出发,理论分析并数值模拟了零折射率材料内部电场、磁场的分布特性,以及零折射率材料平板的电磁透射特性.结果表明:对于双零折射率材料的平板,在与空气阻抗匹配的条件下,其透过率不随平板厚度的变化而变化,大小始终保持为1;而单零折射率材料的平板的透过率随着平板厚度的增加而减小.文章进一步分析了产生这两种特殊透射特性的原因.研究结果对于理解零折射率材料的特性以及设计零折射率材料的功能器件有很好的指导意义和参考价值.

关键词：零折射率材料狄拉克锥光子晶体赝扩散透过率

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零折射率材料电磁特性的仿真实验研究

物理与工程 2020年第2期30卷 94-97,102页

作者：郭晓彤刘美晴王艺璇魏果果高华中国地质大学(北京)数理学院北京100083

零折射率材料是近几年发展起来的一种新型超构材料,它性质奇特、应用广泛,不仅活跃在科学研究的前沿领域,也很值得推介到“大学物理”及“物理实验”的课堂。本文用数值模拟的方法研究了Dirac锥光子晶体的零折射率材料的基本物理特性,... 详细信息

零折射率材料是近几年发展起来的一种新型超构材料,它性质奇特、应用广泛,不仅活跃在科学研究的前沿领域,也很值得推介到“大学物理”及“物理实验”的课堂。本文用数值模拟的方法研究了Dirac锥光子晶体的零折射率材料的基本物理特性,用对比的方式给出了电磁波在零折射率材料不规则出射面的出射方向、零折射率材料内部电磁场的分布,以及零折射率材料平板的透过率与常规正折射材料的不同,并给出了零折射率材料的一个典型应用举例。研究结果与物理理论相吻合。仿真结果对于理解零折射率材料的特性以及设计零折射率材料的功能器件有很好的指导意义和参考价值。

关键词：零折射率材料 Dirac锥光子晶体仿真实验

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基于零折射率超材料的异常传输特性研究

基于零折射率超材料的异常传输特性研究

作者：陈爱臣苏州大学

学位级别：硕士

人工电磁超材料因其在操纵电磁波方面展现不同寻常的电磁性质,引起了物理、材料、通信等诸多领域的广泛关注。作为人工电磁超材料中重要的一类,折射率为零的超材料（简称零折射率超材料）,因其独有的电磁特性也引起了学者们的注意。特... 详细信息

人工电磁超材料因其在操纵电磁波方面展现不同寻常的电磁性质,引起了物理、材料、通信等诸多领域的广泛关注。作为人工电磁超材料中重要的一类,折射率为零的超材料（简称零折射率超材料）,因其独有的电磁特性也引起了学者们的注意。特别是近年来将零折射率超材料运用到波导当中对电磁波传输特性进行操纵已经成为一个有意义和重要潜在应用的基础研究课题。本论文主要研究了将零折射率材料引入到金属波导中,通过改变几何结构、引入介质缺陷共振等多种手段来实现电磁波的异常传输特性。主要具体内容或结构如下:一、基于Fabry-Pérot共振和零折射率超材料在亚波长狭缝的波导中实现全部透射在这部分研究中,我们在亚波长狭缝波导中引入介质,而在介质的两端添加零折射率材料,从理论上研究了波导中电磁波的传输现象。通过改变介质的介电常数,当Fabry-Pérot（FP）共振条件满足时,电磁波的全部透射可以实现。这里我们考虑了双零（介电常数和磁导率都接近零）和单零（介电常数接近零）两种情况,并对比了两种情况的差异。此外我们还讨论了零折射率超材料的吸收对传输特性的影响。二、在具有零折射率材料的波导中嵌入多个缺陷来实现类似电磁诱导透明在这部分研究中,在具有零折射率材料的波导中嵌入多个介质缺陷,理论研究了电磁波穿过该系统的电磁特性,结果表明:当多个缺陷在几何尺寸上有细微差距时,由于缺陷的共振和缺陷间的耦合作用,透射特性具有类似电磁诱导透明的现象。同时我们还提出了一个有效的方法来克服当零折射率材料的吸收很大时对透射效果所带来的威胁,即:在介质缺陷中引入光学增益。结果表明:介质缺陷中的增益可以有效地补偿零折射率超材料的吸收,从而大大地提升了电磁波的传输特性。三、在具有零折射率材料的波导中嵌入增益介质缺陷和吸收介质缺陷实现电磁波的单向传输现象在第二部分研究的基础上,我们考虑了在零折射率超材料中引入增益介质缺陷和吸收介质缺陷,从而构建一个Parity-time（宇称-时间）对称系统。理论研究发现:在这样的系统中也可以观察到类似电磁诱导透明。另外,如果一块介质板隔开吸收和增益缺陷,在这样的宇称-时间对称系统中,通过改变中间介质的介电常数的实部,我们发现了两个特殊点,在这两个特殊点上,电磁波可以实现非互异传输。

关键词：零折射率材料波导系统异常传输特性增益和吸收

利用零折射率光子晶体和材料实现对电磁波的操控

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利用零折射率光子晶体和材料实现对电磁波的操控

作者：刘冰冰苏州大学

学位级别：硕士

零折射率材料是折射率为零的一类特殊电磁材料。具有无穷大的波长,均匀场效应,隧穿效应,波前面调控效应等特殊性质,在隐身、吸收、控制电磁波流等方面具有广泛应用。其中具有狄拉克色散的介质光子晶体,在狄拉克点频率处的有效介电常数... 详细信息

零折射率材料是折射率为零的一类特殊电磁材料。具有无穷大的波长,均匀场效应,隧穿效应,波前面调控效应等特殊性质,在隐身、吸收、控制电磁波流等方面具有广泛应用。其中具有狄拉克色散的介质光子晶体,在狄拉克点频率处的有效介电常数和有效磁导率均为零,是实现双零零折射率材料的一种非常便利的方式。本文第一章首先介绍了零折射率材料的分类,以及一些特殊的性质。我们详细介绍了调控光子晶体能带实现零折射率的方法,这也是本项工作的材料基础。然后简单介绍了本项工作的实验基础,即微波扫场的实验平台。最后对本文的主要工作进行简述。第二章中,我们结合零折射率材料和超表面来实现透射式隐身。结合零折射率材料对电磁能流的调控能力和对电磁波相位的保持,以及超表面对入射/出射电磁波相位的调控,我们成功利用双零零折射率光子晶体在实验上实现了透射式隐身。这一全新的设计思想,既避免了变换光学包裹式隐身对材料不均匀分布的依赖,又潜在性可以大大缩小隐身器件的尺寸,具有很高的应用前景。在第三章中,我们将零折射率材料引入到相干完美吸收当中,通过在零折射率材料中嵌入带有吸收的缺陷,实现了对电磁波的相干完美吸收。这种新类型的相干完美吸收打破了传统相干完美吸收双端口相对入射的限制,甚至可以实现单端口的相干完美吸收。同时,这种新类型的相干完美吸收机制也提供了更多的自由度来实现吸收率的自由调控。我们的微波实验和理论预测符合的很好,为相干完美吸收的推广做出了贡献。第四章我们讨论了ε(垂直于光轴的相对介电常数)为零的单轴晶体与各向同性介质的界面上D’yakonov表面波的传播条件。结果发现,当ε趋于零时,D’yakonov表面波存在并传播的角度范围并没有如预想的得到提升。但我们的理论计算结果也发现,通过材料参数的优化,我们可以大大提升D’yakonov表面波的传播角度范围。为D’yakonov表面波的应用打下了基础。最后一章总结了本文的主要工作,并讨论了进一步的研究方向。

关键词：零折射率材料光子晶体隐身相干完美吸收 D’yakonov表面波

金属-电介质复合材料中非局域效应诱导的偏振分光器（英文）

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红外与毫米波学报 2019年第4期38卷 445-450页

作者：王敦建李肃成季文杰熊伟张磊商院芳罗杰苏州大学物理科学与技术学院江苏苏州215006 深圳光启高等理工研究院广东深圳518000 深圳光启尖端技术有限责任公司广东深圳518000 超材料电磁调制技术国家重点实验室广东深圳518000

基于具有强非局域效应的金属-电介质多层膜结构提出了三种偏振分光器.当多层膜结构的平均介电常数为零时,横电偏振电磁波对应的等频率曲线为一很小的圆,而横磁偏振电磁波对应的等频率曲线则为两支抛物线,这是由表面等离激元诱导的非局... 详细信息

基于具有强非局域效应的金属-电介质多层膜结构提出了三种偏振分光器.当多层膜结构的平均介电常数为零时,横电偏振电磁波对应的等频率曲线为一很小的圆,而横磁偏振电磁波对应的等频率曲线则为两支抛物线,这是由表面等离激元诱导的非局域效应引起的.利用该多层膜结构在不同偏振电磁波下等频率曲线表现出巨大差异这一特性,提出了三种偏振分光器,其中包含厚度远小于波长的超薄偏振分光器.这些结果有望在偏振选择吸收体以及集成光子器件中有潜在应用.

关键词：非局域效应偏振分光器零折射率材料金属电介质复合材料