负折射介质特性与应用的若干研究

论文摘要

通常从一介质进入到另一介质时光束具有正折射角,但在负折射介质中它具有负折射角。除了介电常数和磁导率同时为负的双负介质外,光子晶体可以支持负折射也是为人所熟悉的,另外在特定条件下手征介质可以支持负折射近来也被提出了。负折射介质具有普通介质所不具有的异常物理特性,可以用它实现很多新型应用,突破衍射极限的次波长聚焦成像是最为著名的一个应用。 本论文在负折射介质（包括双负介质、负折射手征介质、负折射光子晶体）的特性与应用方面所完成的工作如下: 将广义Lorenz-Mie理论和多重散射方法结合起来对高斯光束照射下的单个或者相邻两个双负介质球的内部及近表面场进行了研究,结果表明不论球的共振是否被激发,双负介质球的内部及近表面场都具有独特特征。 具有负折射率的介质可以用来构造一维次波长谐振腔和两维开放腔,它们利用了具有负折射率的介质中的光程可以跟普通介质中的光程相抵消这一简单光线分析的结果（光线猜测）。本论文表明尽管光线分析很直观,但它不能给出谐振腔共振时的完全信息,应该用电磁波场理论来分析。一维次波长谐振腔只有在谐振腔中的普通介质层和双负介质层的阻抗相匹配时才满足光线猜测,并且它是非常不稳定的。本论文用两个双负介质方块对角放置构成了一个尺寸具有波长量级的两维开放腔,对它的共振模式用时域有限差分方法进行了计算。 首次对负折射手征介质平板的聚焦成像进行了研究,证明了在特定条件下该平板能够对左旋或右旋圆极化波（具体哪个依赖于材料）进行完美聚焦成像,另外也数值研究了非完美聚焦成像。 首次对负折射手征介质的表面波模式进行了研究。对负折射手征介质半无穷大或者有限厚度时表面波模式的存在条件进行了考察,对三个典型负折射手征介质平板的表面波模式给出了数值结果。负折射手征介质平板的表面波能流可以向前或者向后,甚至可以停止。这种手征介质平板的表面波可以用来有效降低光速。 提出了一个楔形光子晶体开放腔（在由两块完美导电金属板所构成的楔中,一半空间填充具有负有效折射率的光子晶体）,对它的共振机制和共振模式进行了分析。由于对电磁波具有较好的束缚能力,小角度开放腔的品质因子可以比大角度开放腔的品质因子高的多。另外,也对楔形光子晶体开放腔可用作气体传感器的这个应用作了考察。 每格子包含两个或三个位于空气中的介质圆柱阵列可实现各向同性且等于-1的有效折射率。本论文用由每格子包含两个介质圆柱的光子晶体所构成的平板进行了次波

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 双负介质
• 1.1.1 双负介质的特性
• 1.1.2 双负介质的实现
• 1.1.3 双负介质的应用
• 1.2 负折射手征介质
• 1.3 负折射光子晶体
• 1.3.1 光子晶体负折射概念
• 1.3.2 负折射光子晶体的应用
• 1.4 论文内容安排
• 参考文献
• 第二章 双负介质构成的球和谐振腔
• 2.1 多个球对光束散射的模拟方法
• 2.2 高斯光束照射下双负介质球的内部及近表面场
• 2.2.1 单个双负介质球
• 2.2.2 两个相邻双负介质球
• 2.3 基于双负介质的谐振腔
• 2.3.1 一维次波长谐振腔
• 2.3.2 两维开放腔
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 光波在负折射手征介质层中的传播
• 3.1 计算公式
• 3.1.1 手征介质平板的散射矩阵
• 3.1.2 半无穷大手征介质的表面波模式方程
• 3.1.3 手征介质平板的导波模式方程
• 3.2 负折射手征介质平板的聚焦
• 3.2.1 聚焦理论
• 3.2.2 数值模拟
• 3.3 负折射手征介质的表面波
• 3.3.1 半无穷大负折射手征介质的表面波模式
• 3.3.2 负折射手征介质平板的表面波模式和慢波传播
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 负折射光子晶体谐振腔和次波长聚焦成像
• 4.1 基于平面波展开的传输矩阵方法
• 4.1.1 光子晶体平板
• 4.1.2 半无穷大光子晶体
• 4.2 楔形光子晶体开放腔
• 4.2.1 楔形开放腔的光线分析
• 4.2.2 楔形光子晶体开放腔的共振模式
• 4.2.3 楔形光子晶体开放腔的应用
• 4.3 基于介质杆阵列实现等于-1的各向同性有效折射率
• 4.3.1 能带结构和等频率曲线
• 4.3.2 光子晶体平板次波长聚焦成像
• 4.3.3 光子晶体开放腔
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 结束语
• 攻读博士学位期间所发表的学术论文
• 致谢