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特性和電磁特性可人為設計兩大關鍵因素，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應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和高階非線性色散效應及其導致的新的非線性光學現(xiàn)象。

3、r>　　 基于傳統(tǒng)的非線性光學原理，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。揭示了反常自陡峭效應和高階非線性色散效應產(chǎn)生的機制，由于色散介電常數(shù)和磁導率融入到非線性極化和磁

4、化中，導致了可控的電、磁自陡峭效應及高階非線性色散項；揭示了反常自陡峭效應和高階非線性色散效應對孤子傳輸特性的影響：負的自陡峭效應導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，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、應和非線性折射率增強效應，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。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)，當系統(tǒng)滿足零均介電常數(shù)和零均磁導率條件時，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：當入射角小于臨界角時，全反射才能發(fā)

12、生；且當入射波從光疏介質(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，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，當考慮超常材料的損耗，