特異表面的異常折射特性研究分析論文

　　特異材料自2001年被D.R.Smith研究組實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證以來(lái)，由于其奇特的物理特性和重要的應(yīng)用價(jià)值而受到了廣泛的關(guān)注。特異材料作為一種人工復(fù)合微結(jié)構(gòu)材料，可通過(guò)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)單元的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)任意調(diào)控電磁波的目的，如負(fù)折射,電磁隱身、超強(qiáng)荊合、共振隧穿、亞波長(zhǎng)成像等而這些物理現(xiàn)象通常是用正常材料無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。近幾年，為了減少損耗提高特異材料的工作效率，人們提出了一種二維平面陣列式特異材料，由于其厚度遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)，因此被稱為特異表面。Camass研究組通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)單元的精心設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)波束傳播方向的任意調(diào)控，從而改寫(xiě)了斯涅爾折射定律;周磊研究組利用特異表面將傳播波轉(zhuǎn)化為表面波， S.Zhang研究組設(shè)計(jì)了三維全息圖和偏振相關(guān)的透鏡;另外還有一些波帶片等光學(xué)器件的應(yīng)用研究。特異表面的這些物理特性的理論依據(jù)是人射電磁波與結(jié)構(gòu)單元的共振機(jī)制，從而能夠在亞波長(zhǎng)尺度對(duì)人射電磁波進(jìn)行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)波束的任意裁剪和整形，與最初的特異材料相比較，這種超薄二維陣列結(jié)構(gòu)材料，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)折射等奇特的物理現(xiàn)象，還具有體積小、加工簡(jiǎn)便、性能穩(wěn)定的`特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

　　特異表面的物理特性由結(jié)構(gòu)單元的幾何參數(shù)、材質(zhì)和周期決定，因而研究各種不同的結(jié)構(gòu)單元對(duì)于實(shí)際應(yīng)用具有重要的價(jià)值。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)偏振選擇特異表面，采用FDTD算法對(duì)比研究了偏振和相位分布對(duì)電磁波透射電場(chǎng)的影響和變化規(guī)律。

　　1普遍情況下的斯涅爾折射定律

　　根據(jù)天線理論，當(dāng)電磁波照射到金屬結(jié)構(gòu)上時(shí)，金屬內(nèi)部的自由電子會(huì)受外界電場(chǎng)影響產(chǎn)生共振電磁場(chǎng)，該電磁場(chǎng)相對(duì)于人射電磁波有一定的相位延遲和響應(yīng)效率。當(dāng)金屬結(jié)構(gòu)的尺寸小于響應(yīng)波長(zhǎng)時(shí)，可近似看作金屬結(jié)構(gòu)對(duì)人射電磁波進(jìn)行了振幅和相位調(diào)制。若將相位延遲或響應(yīng)效率按照一定的規(guī)律排列，則可實(shí)現(xiàn)對(duì)光束傳播方向和波矢的定量調(diào)控。由于這種共振響應(yīng)在傳播方向上可做到超薄，因此原折射定律需要改寫(xiě)為普遍情況下的折射定律:可知，透射光的傳播方向或波前是由各點(diǎn)的相位延遲分布決定的，因此通過(guò)改變相位分布，則可實(shí)現(xiàn)波束的調(diào)控。

　　特異表面的結(jié)構(gòu)單元對(duì)電磁場(chǎng)的響應(yīng)特性與人射波的偏振、人射角等因素有關(guān)。對(duì)于圓偏振光而言，其垂直透射偏振的相位與結(jié)構(gòu)單元的方位角有關(guān)，該相位被稱為Berry相位。依據(jù)此理論設(shè)計(jì)了金屬環(huán)和金屬棒的組合結(jié)構(gòu)單元:其中，金屬環(huán)的半徑和寬度為:金屬棒的長(zhǎng)度和寬度改變過(guò)金屬棒的方位角可實(shí)現(xiàn)透射垂直偏振的相位變化量，且相位變化的正負(fù)受人射光的旋向控制。采用圓環(huán)結(jié)構(gòu)，有助于減少各結(jié)構(gòu)單元之間的藕合。

　　2透射電場(chǎng)分布情況分析

　　為了對(duì)比相位分布結(jié)構(gòu)和人射光偏振態(tài)對(duì)透射波電場(chǎng)分布的調(diào)制規(guī)律，分別采用5個(gè)結(jié)構(gòu)4個(gè)結(jié)構(gòu)單元實(shí)現(xiàn)的相位延遲，采用不同的人射圓偏振光，分別觀察透射光的傳播方向和電場(chǎng)分布情況。

　　復(fù)合結(jié)構(gòu)周期，當(dāng)人射光為左旋圓偏振光(右旋圓偏振光)，改變結(jié)構(gòu)單元的方位角，與水平方向的夾角依次遞增中左旋圓偏振光自上而下，垂直人射到界面處，受特異表面內(nèi)結(jié)構(gòu)單元的相位調(diào)制，共振產(chǎn)生新的電磁波，新電磁波包括向上和向下傳播的分量，向上部分與反射波疊加到一起形成雜亂的干涉場(chǎng)，而透射部分受原場(chǎng)的影響小，其傳播特性可定量控制，方向發(fā)上了改變。同樣是利用該特異表面，換用右旋圓偏振光照射。

　　3結(jié)論

　　本文提出了一種偏振選擇特異表面，當(dāng)人射光的偏振狀態(tài)不同是，其透射垂直偏振態(tài)分量的折射角相反;通過(guò)調(diào)節(jié)相位變化梯度，得到極限情況下最大折射角。研究結(jié)果可用于設(shè)計(jì)偏振選擇表面和定量調(diào)控折射角度。

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