目录
中文摘要 ............................................................................................................................... I Abstract ................................................................................................................................ V 目录 .. (2)
第一章序言 (1)
1.1 电磁超材料简介 (1)
1.2 光子晶体简介 (2)
1.3 零折射率材料简介 (4)
1.4 本论文的主要内容、目的和意义 (6)
参考文献 (8)
第二章零折射率材料的基本性质以及透射性质 (17)
2.1 零折射率材料的分类 (17)
2.2 零折射率材料的基本性质及应用 (18)
2.2.1 无穷大波长、趋于零的波矢以及均匀场效应 (18)
2.2.2 隧穿效应和缺陷调控效应 (22)
2.2.3 全反射、高指向性辐射和波前面调控效应 (24)
2.2.4 趋于零的电位移矢量以及电位移电流绝缘体和场增强效应 (28)
2.3 各向同性零折射率材料的透射性质 (29)
2.3.1 单零和双零的各向同性零折射率材料的透射性质 (29)
2.3.2 阻抗对透射系数的影响 (31)
2.4 各向异性零折射率材料的透射性质 (32)
2.4.1 双曲型各向异性零折射率材料的透射性质 (32)
2.4.2 全透射条件 (33)
2.4.3 材料色散的影响 (36)
2.5 本章小结 (38)
参考文献 (39)
第三章含缺陷的各向同性零折射率材料的性质以及异常的电磁波渗流现象 (46)
3.1 含缺陷的各向同性零折射率材料的研究背景简介 (47)
3.2 多层环状缺陷对二维各向同性零折射率材料的影响以及法诺共振现象 (48)
3.2.1 透射系数的推导 (48)
3.2.2 单层环状缺陷的影响 (52)
3.2.3 多层环状缺陷的影响以及法诺共振现象 (56)
3.3 利用介质缺陷实现二维零折射率材料到完美磁导体的等效转变 (63)
3.3.1 二维零折射率材料到完美磁导体的等效转变的物理机理 (63)
3.3.2 等效完美磁导体在波导器件中的应用 (67)
3.3.3 等效完美磁导体在完美电磁吸收体中的应用 (69)
3.4 缺陷对三维各向同性零折射率材料的影响以及异常的电磁渗流现象 (70)
3.4.1 渗流理论概述 (70)
3.4.2 含缺陷的三维各向同性零折射率材料的透射系数的推导 (72)
3.4.3 电磁波渗流现象及其物理机制 (74)
3.3.4 数值模拟验证 (76)
3.3.5 材料吸收的影响 (80)
3.4.6 异常性起源及缺陷对三维声学的各向同性零折射率材料的影响 (82)
3.5 本章小结 (85)
参考文献 (87)
第四章各向异性零折射率材料的电磁能流调控效应及其在波导器件中的应用 (93)
4.1 各向异性零折射率材料与电磁能流调控的背景简介 (93)
4.2 各向异性零折射率材料对电磁能流调控的物理机理 (94)
4.2.1 电磁波在非均匀各向异性零折射率材料中的传播与散射特性以及电磁
能流再分配的机理 (95)
4.2.2 稳健的高透射率的机理 (101)
4.2.3 电磁能流调控的例子 (103)
4.3 各向异性强度与材料吸收对电磁能流调控的影响 (108)
4.3.1 各向异性强度对电磁能流调控的影响 (108)
4.3.2 材料吸收对电磁能流调控的影响以及有效介质理论的失效 (110)
4.4 电磁能流调控效应在波导中的应用 (111)
4.4.1 不规则直波导 (112)
4.4.2 弯波导 (115)
4.4.3 不规则弯波导 (119)
4.5 拓展：基于非均匀的各向异性高折射率材料实现电磁能流调控 (122)
4.6 本章小结.............................................................................................................. 124 参考文献 (126)
第五章 零折射率材料的设计方法 (131)
5.1 零折射率材料的设计方法简介 (131)
5.2 基于电介质光子晶体设计单零的各向同性零折射率材料 (133)
5.2.1 光子晶体的有效介质理论 (133)
5.2.2 磁导率趋于零的单零的各向同性零折射率材料 (137)
5.2.3 介电常数趋于零的单零的各向同性零折射率材料 (140)
5.3 基于金属-电介质多层膜设计单零的各向异性零折射率材料 (141)
5.3.1 横电波下的金属-电介质多层膜的有效介质参数 (141)
5.3.2 横磁波下的金属-电介质多层膜的有效介质参数 (144)
5.3.3 横磁波下的非局域效应以及负折射 (146)
5.4 本章小结.............................................................................................................. 150 参考文献 (151)
第六章 介电常数/磁导率虚部主导的材料的性质与应用 (156)
6.1 介电常数/磁导率实部为零的材料简介 (157)
6.2 应用：实现超薄电磁波完美吸收体和抗反膜的统一理论 (158)
6.3 超薄完美电磁吸收薄膜 (165)
6.3.1 满足()()Im Re 0εε>>≈和()Im 1ε>>的导电薄膜及其实验验证 (165)
6.3.2 满足()()Im ,Re ,0εμεμ>>≈和()Im ,1εμ<<的零折射率材料薄膜 (171)
6.3.3 其它类型的薄膜 (173)
6.4 超薄电磁波抗反膜 (175)
6.4.1 统一理论给出的不同类型的抗反膜 (175)
6.4.2 满足()()Im Re 0εε>>≈和()Im 1ε>>的导电薄膜及宽频抗反膜 (178)
6.4.3 Fabry-Pérot 共振的消除及实验验证 (180)
6.5 拓展：在声学和弹性波完美吸收上的应用 (187)
6.5.1 基于超薄薄膜实现零反射的统一理论 (187)
6.5.2 声学和弹性波完美吸收的条件 (191)
6.5.3 宽频吸收薄膜的理论模型的设计 (194)
6.6 本章小结.............................................................................................................. 197 参考文献 (199)
第七章 总结与展望 ......................................................................................................... 208 攻读博士学位期间公开发表的论文及科研成果 ........................................................... 211 致 谢 . (215)
零折射率材料的性质与应用研究第一章序言
第一章序言
1.1 电磁超材料简介
经典电动力学告诉我们，材料的电磁特性取决于材料的介电常数和磁导率这两个宏观参数，它们共同决定了电磁波与材料的相互作用。自然界中天然物质的介电常数既可以是正值（如电介质材料），也可以是负值（如大多数金属材料），然而，天然物质的对高频电磁波的磁响应往往较弱，因而相对磁导率通常为1，而且介电常数和磁导率同时为负值的天然物质更是没有。因而，如何设计人工电磁材料来实现对电响应和磁响应的同时调控成为了电磁领域的一个重要课题。
电磁超材料（Metamaterials）作为一类重要的人工电磁材料因其异常的电磁特性在材料科学、光学和应用电磁学等领域内获得了越来越广泛的青睐。这里将其做简单的概述。
图1.1电磁超材料的（a）电响应微结构和（b）磁响应微结构的示意图。
早在上世纪六十年代，前苏联物理学家Veselago就在理论上研究了介电常数和磁导率均为负的负折射率材料（也称为左手材料）[1]，并指出在该材料中可以观察到负折射现象，但是由于自然界中一直无法找到天然的负折射率材料，在其后的近三十年的时间里负折射率材料的研究一直没有大的进展和实质性的突破。直到1996年，Pendry等人提出周期排列的细导线阵列能够在微波频段表现出负的介电常数[2]，其