论文摘要
近几年来,负折射介质由于其新颖独特的物理性质和重要的应用前景而获得了学术界广泛的关注,并且已经成为当前电磁学界和光电子学界非常前沿和热门的研究领域之一。负折射介质的特性,特别是超透镜效应,引起了人们从微波波段到可见光波段,在理论分析、数值模拟和实验制备方面的广泛研究。本论文通过等效介质的色散理论分析了平面和曲面金属-电介质复合结构的负折射效应,并运用FDTD数值模拟方法研究了光束在其中的折射行为和超分辨效应。研究内容包括平面和曲面金属-电介质复合结构的色散关系,介质分界面上的负折射,超透镜效应,以及远场放大超透镜。本论文的研究工作和成果如下:1.从等效介质理论出发,将平面和曲面金属-电介质复合结构分别看作直角坐标下和柱坐标下的各向异性介质,在波矢空间中分析给出了平面和曲面金属-电介质复合结构的色散关系,讨论了平面金属-电介质复合结构（MWGAs）中的全角度负折射效应,分析了具有双曲线型色散曲线的平面金属-电介质复合结构中电磁波的波矢和能流在不同倾斜分界面上的折射行为;清晰地给出了曲面金属-电介质复合结构（hyperlens）的远场超分辨机理。这种波矢空间色散曲线分析方法的物理图象清晰简洁,对复合介质的构建和研究具有指导意义。2.建立了适用于负折射率材料的双色散时域有限差分模拟平台,用二维FDTD数值模拟方法研究了平面金属-电介质复合结构的出入射端面形貌对折射光的影响。通过构造出射端面,获得了较好的超级透镜超分辨成像效果,成像的强度比原结构提高了24%,分辨率提高了79%,在近场光刻和超分辨成像方面具有良好的应用前景。3.用二维FDTD数值模拟方法研究了曲面金属-电介质复合结构（hyperlens）中的曲率、层数等结构参数对光束传播与发散特性的影响,分析了宽光谱在结构中的传播特性,对构造更佳的远场超透镜有很重要的指导作用。由曲面金属-电介质多层复合结构性质出发,发明了一种新型远场超分辨载流管,并给出了其操作方法和工作方式。该载流管在工作波长λ下可以分别使相距0.3λ和0.44λ的精细生物和金属结构在远场得到放大可分辨的像,实现了远场超分辨,在生物探测和金属微纳结构超分辨探测等方面具有很高的实用价值。本论文的创新点主要包括:1.从等效介质理论出发,分析了平面和曲面金属-电介质复合结构的色散关系,在波矢空间中结合色散曲线,研究了平面金属-电介质复合结构的负折射效应和倾斜分界面上的折射,及曲面金属-电介质复合结构的远场超分辨机理。2.用二维FDTD方法研究了金属-电介质复合结构中端面形貌对折射光的调制,通过构造出射端面形貌,获得了更佳的超级透镜超分辨成像效果。3.研究了曲面金属-电介质复合结构中的曲率、层数等结构参数对光束传播与发散特性的影响,分析了宽光谱在结构中的传播特性。发明了一种新型曲面金属-电介质复合远场超分辨载流管。