（电力系统及其自动化专业论文）电磁波在旋电介质中传播特性的研究.pdf

北京交通大学博士学位论文 关键词：旋电介质；电磁波；太赫兹；偏振器；隐身斗篷 分类号：t m l 5 4 3 a b s t r a c t a b s t r a c t a b s t r a c t n o t e dt h ei n t e r e s t si nt h ee l e c t r o m a g n e t i cw a v er e s e a r c hs u c h a st e r a h e r t z t e c h n o l o g y , t h i s t h e s i sf o c u s e so nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r o m a g n e t i cw a v e p r o p a g a t i o ni ng y r o e l e c t r i cm e d i u m ，w h i c hi s as e m i c o n d u c t o rw i t ha ne x t e r n a l m a g n e t i cf i e l da n d c a nb e t u n e di nt h et e r a h e r t zf r e q u e n c yb a n d f i r s t l y , b a s i cc h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r o m a g n e t i cw a v ep r o p a g a t i o ni ng y r o e l e c t r i c m e d i u mh a v eb e e nd i s c u s s e d a c c o r d i n gt ot h em a x w e l le q u a t i o n s ，t h ed i s p e r s i o n r e l a t i o nf o rg y r o e l e c t r i cm e d i u mh a sb e e nd e r i v e di nk d bc o o r d i n a t es y s t e m i ti sf o u n d t h a tt h ep l a n ew a v ei ng y r o e l e c t r i cm e d i u mw i t hv o i g tc o n f i g u r a t i o nc a nb ed e c o u p l e d i n t ot ea n dt mw a v e s ，a l t h o u g ht h et mw a v ei sd i f f e r e n tf r o mt h a ti ni s o t r o p i c m e d i u m s e c o n d l y , c h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r o m a g n e t i cw a v ep r o p a g a t i o no nt h es u r f a c eo f g y r o e l e c t r i cm e d i u mh a v eb e e nd i s c u s s e d t h er e f l e c t i o nc o e f f i c i e n ta n dt r a n s m i s s i o n c o e f f i c i e n to ft mw a v e sw h i c ha r ea f f e c t e db yt h ee x t e r n a lm a g n e t i cf i e l da r ed e r i v e d f u r t h e r m o r e ，ad e t a i l e ds t u d yo fs u r f a c et mm o d e s a tt h ei n t e r f a c eb e t w e e na l li s o t r o p i c m e d i u ma n dau n i a x i a lp l a s m a , g y r o e l e c t r i cm e d i u mu n d e ri n f i n i t em a g n e t i cf i e l d ，i s p r e s e n t e d f o u rc a s e sf o rt h ei s o t r o p i cm e d i u m ，i n c l u d i n gn o r m a l ，l e f t h a n d e d ， m a g n e t i c ，a n dm e t a l l i cm e d i a , a r ec o n s i d e r e d t h ec o n d i t i o n sf o rt h e e x i s t e n c eo f s u r f a c em o d e si ne a c hc a s ea r ea n a l y z e d ，s h o w i n gt h a tt h ee x i s t e n c ei sd e t e r m i n e db y t h ep a r a m e t e r so fm e d i a ，w o r k i n gf r e q u e n c y , a n dt h ed i r e c t i o no ft h ep r i n c i p l ea x i s t h e p o y n t i n gv e c t o ra l o n gt h ep r o p a g a t i n gd i r e c t i o ni s a l s oc a l c u l a t e d d e p e n d i n go nt h e m e d i ap a r a m e t e r sa n dt h ef r e q u e n c y , t h es u r f a c em o d e c a l lh a v et i m e a v e r a g ep o y n t i n g v e c t o ri nt h eo p p o s i t ed i r e c t i o no ft h em o d ep h a s ev e l o c i t y t h i r d l y , ad e t a i l e ds t u d yo ng u i d a n c ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ee l e c t r o m a g n e t i cw a v ei n t h eg y r o e l e c t r i cs l a bi sp r e s e n t e d t h eg o o s h 苔n c h e n ( g h ) p h a s es h i f t sa tb o t h b o u n d a r i e so ft h es l a ba r ec a l c u l a t e d ，a n dt h eg u i d a n c ec o n d i t i o ni se x p l a i n e db ym e a n s o ft h e m i ti sf o u n dt h a tt h ee x t e r n a lm a g n e t i cf i e l dd e s t r o y st h es p a t i a ls y m m e t r yo ft h e f i e l dd i s t r i b u t i o n ，a n dw eu s et h ec o n c e p t so f p e n e t r a t i o n d i s t a n c ea sw e l la se f f e c t i v e t h i c k n e s st oi l l u s t r a t et h ep h e n o m e n o n i nt e r mo ft h eg hp h a s es h i f t s ，t h es p a t i a l d i s t r i b u t i o no ft h et i m e a v e r a g ep o y n t i n gp o w e ri s a l s od e r i v e d i n f l u e n c e db yt h e e x t e m a lm a g n e t i cf i e l d ，t h ep o s i t i v ea n dn e g a t i v et i m e - a v e r a g ep o y n t i n gp o w e ra l o n g v 北京交通人学博士学位论文 t h ew a v e g u i d ed i r e c t i o nc a l le x i s ts i m u l t a n e o u s l yi nt h eg y r o e l e c t r i cm e d i u m ，d e p e n d i n g o nt h et r a n s v e r s ep o s i t i o n f o u r t h l y , ad e t a i l e ds t u d yo nt h el a t e r a ld i s p l a c e m e n t so fat m w a v et r a n s m i t t e d a n dr e f l e c t e df r o mas y m m e t r i cg y r o e l e c t r i cs l a bi sp r e s e n t e d w eg i v et h ea n a l y t i c e x p r e s s i o n sf o rt h et r a n s m i s s i o nc o e f f i c i e n ta n d t h er e f l e c t i o nc o e f f i c i e n t ，a sw e l l 弱t h e c o r r e s p o n d i n gl a t e r a ld i s p l a c e m e n t s i ti sf o u n dt h a td u e t ot h ee x t e r n a lm a g n e t i cf i e l d ， t h ed i s p l a c e m e n to fat r a n s m i t t e db e a mi sd i f f e r e n tf r o mt h a to fr e f l e c t e d ，e v e nf o ra l o s s l e s ss y m m e t r i cc o n f i g u r a t i o n f u r t h e r m o r e ，w i t h i nt h ec h o s e nf r e q u e n c yb a n d ，w h e n t h ei n c i d e n ta n g l ei sn e a rt h eb r e w s t e ra n g l e ，t h es h i f to fr e f l e c t e db e a mc a nb el a r g e w i t hn o n z e r or e f l e c t a n c e ，a n dc a nb ep o s i t i v eo rn e g a t i v ed e p e n d i n go nt h ed i r e c t i o no f t h ea p p l i e dm a g n e t i cf i e l da n dt h ei n c i d e n tw a v e f i f t h l y , at e t mw a v es p l i t t e rc o m p o s e do fag y r o e l e c t r i cs l a bi sp r o p o s e d w e d e m o n s t r a t et h e o r e t i c a l l yt h a t ，w h e nt h ew o r k i n gf r e q u e n c yi sc h o s e nt ob ew i t h i no n e o ft h et w or a n g e s ，t o t a lr e f l e c t i o no c c u r sa tt h eb o u n d a r yo fas l a bo fg y r o e l e c t r i c m e d i u mf o re i t h e rt eo rt mc o m p o n e n to ft h ei n c i d e n tw a v e s t u n i n gc a nb ed o n eb y c h o o s i n gt h ew o r k i n gf r e q u e n c y b a n do r a d j u s t i n gt h ea p p l i e dm a g n e t i cf i e l d f u r t h e r m o r e ，w i t h i nt h et e - s t o po rt m - s t o pf r e q u e n c yr e g i o n ，i ft h ei n c i d e n ta n g l ei s s e l e c t e da p p r o p r i a t e l y , t h eo t h e rp o l a r i z e dc o m p o n e n to ft h ew a v ei st o t a l l yt r a n s m i t t e d a n dw ea l s os h o wt h a tw h e nt h es l a bi st h i c k e r , t h e r ea lem o r ep o s s i b i l i t i e st os a t i s f yt h e 如1 1 p a s sc o n d i t i o n f i n i t e - e l e m e n tm e t h o ds i m u l a t i o n sv e r i f i e dt h et h e o r e t i c a lr e s u l t s f i n a l l y , u s i n gt h et r a n s f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , ac y l i n d r i c a lc l o a ki nt h eg y r o e l e c t r i c m e d i u mi sd e s i g n e d t h es i m u l a t i o nr e s u l tb a s e do nt h ef i n i t e e l e m e n tm e t h o dv e r i f i e d t h et h e o r e t i c a lr e s u l t s k e y w o r d s ：g y r o e l e c t r i cm e d i u m ，e l e c t r o m a g n e t i cw a v e ，t e r a h e r t zt e c h n o l o g y , p o l a r i z e r , c l o a k c i a s s n o ：t m l5 4 3 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期：年月日签字日期：年月 日 致谢 在这篇论文收官之际，我终于长长地出了一口气。因为在此之前相当长的时 间里，无论我做什么，都会想到还有博士论文等着我完成，这无形之中的压力经 常使我坐立不安。好在2 0 0 7 年1 月至2 0 0 8 年8 月我到麻省理工学院( m i t ) 交流 期间，经过了数百个披星戴月的日子，完成了这早该完成的论文。 以前看到别的博士论文的致谢，几乎都是千篇一律，常被我戏之为缺乏创意 且有矫揉之嫌。但经历过了课题研究和论文写作与修改的漫长过程，体会到了众 多老师、朋友、家人对我的帮助是多么的重要，多么的不可或缺，我才真正理解 包括我本人在内的致谢都是发自肺腑。也许那著名的诗句修改为“要识庐山真面 目，必须身在此山中 ，才能形容我现在对论文中致谢的理解。 在此，首先要感谢我的导师范瑜教授。范瑜教授不仅是个优秀学者，更是个 谦谦君子。从他那里，我感受的不仅仅是学术的魅力、严谨勤勉的治学之风，还 学习到他为人处世的宽厚、对学术研究的热爱以及乐观豁达的人生态度。本篇论 文从写作到最后定稿，范瑜教授都给予了细致的指导。我也要感谢郑琼林教授、 王毅教授、张小青教授、张奕黄教授在我课题研究和论文写作期间所给予的指导、 帮助以及为我提供的研究便利。 另外，我尤其要感谢m i t 的j i na uk o n g ( 孔金瓯) 教授。我在m i t 交流 期问，他对我的学术研究和工作给予了极大的支持与帮助，并亲自为我的博士论 文确定了题目，对论文的内容也给予了指导和肯定。但今年三月，在医疗水平先 进和科技发达的美国，一个小小的肺炎竞无情地夺去了他的生命，至今我都无法 相信昔日对我谆谆教诲的j i na uk o n g 教授已与我们阴阳两隔，无法忘记听到噩 耗时泪水夺眶而出的那一刹。遗憾的是他没有看到我博士论文的最终付印，但我 希望他在天国能感受到我的谢意与怀念。 同时，感谢我在m i t 期间给我许多指导与帮助的d r b a e i a nw u ，感谢在m i t 的c e t a 成员们：d r f a n m i nk o n g ， b a i l ez h a n g ，d r b 蜘i az h a n g ，d r h o n g s h e n g c h e n ，不会忘记和他们因为电磁波而结缘的那段时光。此外，还要感谢交大的 同事们长期以来对我的关心和帮助。 最后，我要衷心感谢我的父母和爱人，他们是我的坚实后盾，使我在论文写 作期间没有任何后顾之忧。还有我那可爱的女儿，她那纯真无邪的笑容是我生活 中最美丽的风景，是我克服所有困难的无尽动力。 论文虽已完成，研究尚需努力。是以自勉并再次致谢。 引言 1 引言 1 1 课题的研究背景 对包括光波在内的电磁波与材料之间相互作用的理解和控制，一直是人们梦 寐追逐的目标，也是科技领域中至关重要的课题。近二十年来，随着纳米技术的 发展与制造工艺的不断进步，一系列研究成果、新颖现象和效应层出不穷地涌现 出来，影响着许多学科的发展，电磁波领域正经历一场前所未有的巨大变革，新 的研究方向和交叉学科不断涌现，一些曾经因为制造工艺原因或者材料原因而始 终停留在理论阶段的设想也得以实现，并进一步推动电磁领域的发展。例如光子 晶体【1 一钉、表面等离激元技术1 5 , 6 】、太赫兹波段的理论和器件设计 7 - 1 2 以及以左手材 料【1 3 - 2 1 】和隐身斗篷材料【2 2 圳1 为代表的超材料的设计和实现等方向成为当前电磁领 域的研究热点。 1 1 1 太赫兹技术 “太赫兹”( t e r a h e r t z ，t h z ) 一词的出现可以追溯到1 9 7 3 年的a j k e r e 伽a 1 1 【3 2 1 和次年的j w f l e m i n g 3 3 1 ，现在广泛应用于亚毫米波领域。p h s i e g e l 在2 0 0 2 年将其工作波长定义为从1 0 0 0 到1 0 0 9 m ( 3 0 0 g h z 到3 t h z ) 1 7 1 ，也有学 者将其定义为3 0 0 0 到3 0 9 m ( 1 0 0 g h z 到1 0 t h z ) 3 4 ，3 5 1 ，其长波段方向与毫米波( 亚 毫米波) 相重合，而在短波段方向与红外线相重合。 1 0 01 0 31 0 61 0 91 0 1 21 0 1 51 0 1 81 0 2 11 0 2 4 d e k i l o m e g ag i g a t e r a p e t a e x az e t t a y o t t a f r e q u e n c y ( h z ) 图1 1 太赫兹在电磁波频谱中的位置。 f i g 1 - 1p o s i t i o no f t h zi nt h ee l e c t r o m a g n e t i cw a v es p e c t r u m 虽然它很早就吸引了科学家的注意力【3 6 1 ，但是长期以来，由于多种科学技术 北京交通大学博士学位论文 原因，特别是受其波源和探测技术的影响，太赫兹波科学技术的发展受到很大的 限制，其应用潜能未能充分发挥出来，太赫兹领域仍然是电磁波频谱中最空白的 区域之一【7 j 。由此，人们提出太赫兹空白( t h zg a p ) 的概念，其含义包括下面两 层内容： ( 1 ) 太赫兹所处的位置正好处于科学技术发展相对较好的微波毫米波与 红外线光学之间，形成一个相对落后的“空白 ；( 2 ) 太赫兹的长波方向主要属 于电子学( e l e c t r o n i c s ) 范畴，而其短波长方向则主要属于光子学( p h o t o n i c s ) 范 畴，从而在电子学与光子学之间形成一个“空白 。 由于太赫兹所处的特殊电磁波谱的位置，根据文献 3 5 ，3 7 等的归纳，与其他 波段相比，太赫兹辐射的主要特征如下： ( 1 ) 量子能量和黑体温度很低。太赫兹辐射是完全非电离的，其光子能量较 低，对大部分生物细胞无害，适合于对生物组织进行活体检查，如利用太赫兹时 域谱技术研究酶的特性，进行d n a 鉴别等。 ( 2 ) 因为太赫兹辐射的频率很宽，覆盖了多种包括蛋白质在内的大分子的振 动和旋转频率，所以，许多大分子在太赫兹波段表现出很强的吸收和谐振特性， 构成了相应的太赫兹“指纹 特征谱，这些光谱信息对于物质结构的研究很有价 值。 ( 3 ) 太赫兹辐射能以很小的衰减穿透如陶瓷、脂肪、碳板、塑料等物质，因 此可用其探测低浓度极化气体，适用于控制污染。太赫兹辐射还可无损穿透墙壁、 布料，使得其能在某些特殊领域，如安全检查等发挥作用。 ( 4 ) 太赫兹的时域频谱信噪比很高，目前对太赫兹辐射强度测量的信噪比可 大于1 0 加，通过采样测量技术，能够有效地防止背景辐射噪音的干扰，这使得太赫 兹非常适用于成像应用。 ( 5 ) 带宽很宽( 可从0 1 到1 0 t h z ) ，是微波的1 0 0 倍，是很好的宽带信息 载体，适合局域网的宽带无线移动通信。 ( 6 ) 可形成很窄的脉冲( 飞秒级) 。 近几年，随着太赫兹波发生技术上取得的一系列进展，尤其是用量子级联激 光裂3 翻和自由电子【3 9 】产生大功率连续太赫兹波源的技术等方面取得的一些成果， 各国学者给予太赫兹技术研究以极大的关注，形成了一个研究高潮，其中以美国、 欧洲和日本最为重视。在美国，包括常青藤大学在内有数十所大学都在从事太赫 兹的研究工作，特别是美国重要的国家实验室，如l l n l 、l b n l 、s l a c 、j p l 、 b n l 、n r l 、a l s 和o r n l 等都在开展太赫兹科学技术的研究工作。美国国家基 金会( n s f ) 、国家航天局( n a s a ) 、能源部( d o e ) 和国立卫生研究院( n i h ) 等从2 0 世纪9 0 年代中期开始就对太赫兹研究进行了大规模的投入。2 0 0 4 年2 月， 美国技术评论期刊公布了未来影响世界的十大关键技术，太赫兹科学技术位列第 引言 五【1 2 】。英国的r u t h e r f o r d 国家实验室以及剑桥大学、里兹大学、s t r a t h c l y d e 大学等 十几所大学和科研机构，德国的k f z 、b e s s y 、k a r l s r u h e 大学、c o h n 大学、h a m b u r g 大学等科研院所和高校，都积极开展了太赫兹研究工作。欧洲国家还利用欧盟的 资金组织了跨国家、多学科参加的大型合作研究项目。在俄国，国家科学院还专 门设立了一个太赫兹研究计划。日本政府在2 0 0 5 年1 月8 日公布的日本未来1 0 年科技战略规划中，提出了l o 项重大关键技术，将太赫兹技术列为首位【3 5 。我国 在2 0 0 5 年1 1 月2 2 2 4 日在北京香山召开了以“太赫兹科学技术的新发展”为主题的 第2 7 0 次科学会议，研究和讨论了太赫兹科学技术及其应用的发展现状和前景， 并提出了对我国太赫兹科学技术及其应用发展的战略思考和研究工作的意见和建 议【3 5 1 。 随着在太赫兹波源和检测技术上相继取得的进展，人们对构造能工作在太赫 兹领域的器件和系统也产生了很大的兴趣。 由于缺少太赫兹波段低色散和低损耗的器件，现有的一些太赫兹系统还是基 于太赫兹波在自由空间的传播进行处理的 4 0 4 1 1 。为了实际应用，光子晶体在太赫 兹领域得到了一定的运用 1 0 - 1 2 】。虽然光子晶体具有某些优良特性，但是因为光子 晶体的周期取决于工作波长，约为半个波长，而构成一个器件至少需要几个周期， 所以为了进一步减小器件尺寸，表面等离激元( s u r f a c ep l a s m o np o l a r i t o n s ，s p p s ) 4 2 , 4 3 j 技术成为新的选择。 1 1 2 表面等离激元和表面波 由于金属具有的强吸收和高反射的特点，过去几十年中，金属材料在光学中 通常作为反射镜使用。尽管如此，由于金属材料的介电常数在可见光和远红外波 段为负数，当把金属和电介质组合为复合结构时会发生很多有趣的现象。当电磁 波入射到金属与介质分界面时，金属表面的自由电子发生集体振荡，如果电子的 振荡频率与入射电磁波的频率一致就会产生共振，这时就形成了一种特殊的电磁 模式：表面等离激元。它是光波与可迁移的表面波，这个电磁模有着大于同一频 率下光子在真空中或周边介质中的波数，其特点是在这种情况下电磁波被局限在 金属与介质分界面，沿金属表面传播，并且在垂直分界面的两个方向上，均以指 数形式迅速衰减，成为凋落波( e v a n e s c e n tw a v e ) 。由于金属中欧姆热效应，能 量将逐渐耗尽，因此s p p s 只能传播到有限的距离，大约是微米或纳米数量级。虽 然人们很早就认识了这一现象，对其研究已经有长达1 0 0 多年的历史，但是由于 s p p s 在平坦界面上的传播距离很短，同时s p p s 是一种近场光学现象，受早期制作 电子元件的工艺水平的限制，无法加工微米、纳米尺寸的元件和回路，同时观测 北京交通大学博士学位论文 技术也限制了s p p s 的应用，使其没有得到应有的重视。 近年来，随着纳米技术和工艺技术的长足进步，现今已经具备制作精确尺寸 的复杂的纳米光学器件的能力【4 4 4 7 1 ，在文献 4 7 】中，加工精度已经达到十纳米量级。 同时，在近场观测领域，1 9 8 2 年，g b i n n i g 等研究人员突破了衍射极限，成功研 制了隧道显微镜( s c a n n i n gt u n n e l i n gm i c r o s c o p e ，s t m ) 4 8 】，随后d w p o h l 等 人于1 9 8 4 年发明了可见光波段的扫描近场显微镜( o p t i c a ls t e t h o s e o p y ) 【4 9 】，此后 近场观测技术得到迅速发展 5 0 - 5 3 】。目前扫描近场光学显微镜技术已经基本成熟， 已经有了一些专业的生产厂家。纳米技术和近场光学的发展，极大的推动了s p p s 技术的发展，在等离子体光子芯片( p l a s m o n i cc h i p s ) 5 4 - 5 6 】、等离子体耦合器 ( p l a s m o n i cc o u p l e r s ) 5 7 】、等离子体调制器和开关元件( p l a s m o n i cm o d u l a t o r sa n d s w i t c h i n ge l e m e n t s ) 【5 8 t5 9 1 、等离子体新型光源( p l a s m o n i cl i g h ts o u r c e s ) 6 0 ，6 1 1 以及等离子体纳米光刻蚀术( p l a s m o n i cn a n o l i t h o g r a p h y ) 6 2 , 6 3 】方面有了长足进展， 并在许多领域得到了应用【5 1 , 6 禾- 6 6 。 1 1 3 超材料的设计与应用 超材料( m e t a m a t e r i a l m e t a m a t e r i a l ) ，是本世纪出现的一个全新的词汇，在拉 丁语中，“m e t a - 表示“超出”、“亚 、“另类”等含义。“m e t a m a t e r i a l 最早 在1 9 9 9 年i 扫r o d g e r m w a l s e r 定义【6 7 】，英国的j o h n b p e n d r y 在2 0 0 6 年的文献【2 3 】中 定义为“m e t a r n a t e r i a l s ，w h i c ho w et h e i rp r o p e r t i e st os u b w a v e l e n g t hd e t a i l so fs t r u c t u r e r a t h e rt h a nt ot h e i rc h e m i c a lc o m p o s i t i o n ，c a l lb ed e s i g n e dt oh a v e p r o p e r t i e sd i f f i c u l to r i m p o s s i b l et of i n di nn a t u r e ”，认为它是“具有天然材料所不具备的超常物理性质的 人工复合结构或复合材料 。它具有三个重要特征：( 1 ) 并不能在自然界中被找到， 通常是具有新奇人工结构的复合材料；( 2 ) 具有超常的物理性质( 往往是自然界 的材料中所不具备的) ；( 3 ) 其性质往往不主要决定于构成材料的本征性质，而取 决于其人工结构。左手材料和构成隐身斗篷的材料就是其中典型的例子。 左手材料( l e f t h a n d e dm a t e r i a l ，l h m ) 的名称来源于电磁波在其中传播的特 殊性：在这样的材料中，与普通介质遵循的右手定则不同的是，电场强度吾、磁场 强度厅和电磁波的波矢量f 之间遵循左手定则。其另一个重要特性是，坡印廷矢量 j 的方向与波矢量云的方向相反，即：能量传播方向与电磁波的传播方向相反。 早在1 9 6 7 年，前苏联科学家v e s e l a g o 就提出：如果有一种材料同时具有负介 电常数和负磁导率，这种材料将会在许多方面表现出与其他普通介质完全不同的 电磁特性【b 1 4 1 。然而，由于这种材料在自然界并不存在，因此，v e s e l a g o 的预言 并未得到科学界的重视，直到二十世纪九十年代中后期，英国的j o h nb p e n d r y 等 4 古 人提出一个斟新性思路s1 6 l ：一种材料，不仅仅只认为是一个均匀的块体，还可 以拥有一些微小的结构单元。也就是说，材料的电磁特性可以从这些结构单元中 获得，这些微小的结构单元产生了原来材质所不可能出现的效应。进而，他设计 了左手材料的实现方法：用金属条和开口金属谐振环周期性地规则捧列，在微波 渡段有望产生负等效介电常数p 和负等效磁导率m 有了这一构想，美国的d 删 s m l m 等人利用以铜为主的复台材科首次制造出在微波被段具有负介电常敛、负碓 导奉的超材料i 晦删，让一束微波射 铜环和铜线构成的人工介质，最终徽波以负 角度偏转，从而实现了电磁波在材科中的负折射，以实验证明了左手材料的存在。 从此左手材料重新吸引了丈量研究人员的注意力，成为研究热点，各国科学家 纷纷以各种不同的方式获得左手材料或者研究其独特电磁特性。如：逆多普勒效 应( r e v e r s e d d o p p l e r e f f e c t ) ，逆s n e l l 折射效应( r e v e r s e d s n e l l r 酬o n ) 以及 逆q 豫出o v 辐射效应( r 州州c 州劬r a d i a d 蚀) 等等，科研成果层出不穷。 在2 0 0 3 年，左手材料被s c i e n c e 列为当年的“十大科学进展”。 ( 时 禺1 2 瞻身牛篷t - ) 氍羲曩瞻身斗篷二堆蛄构图( b ) 蠢身斗篷的 ci：1i ：一gz， 。mo 帅忡5 o郴 北京交通大学博士学位论文 仿真和实验结果a ：具有准确参数的斗篷的仿真结果；b ：具有简化 参数的斗篷的仿真结果；c ：无斗篷时的导体圆柱体的实验结果；d ： 导体圆柱外裹斗篷的实验结果【2 4 】 f i g 1 - 2c l o a k ( a ) 2 dm i c r o w a v ec l o a k i n gs t r u c t u r e ( b ) s i m u l a t i o nr e s u l t a n de x p e r i m e n t a lr e s u l to ft h ec l o a k a ：s i m u l a t i o nf o rt h ec l o a kw i t he x a c t p r o p e r t i e s ；b ：s i m u l a t i o no ft h ec l o a k 、 ，i mt h er e d u c e dm a t e r i a lp r o p e r t i e s ； c ：t h ee x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n to ft h eb a r ec o n d u c t i n gc y l i n d e r ；d ：t h e e x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n to ft h ec l o a k e dc o n d u c t i n gc y l i n d e r 2 4 在2 0 0 2 年底，麻省理工学院孔金瓯( j i n a uk o n g ) 教授从理论上证明了左手 材料存在的合理性【6 8 1 ，并预言这种人工介质可用来制造高指向性的天线、聚焦微 波波束、实现“完美透镜”、用于电磁波隐身等等。2 0 0 6 年初，p e n d r y 等提出隐身 斗篷( e l e c t r o m a g n e t i cc l o a k ) 的可行性技术构想：利用坐标变换技术在变换后的 坐标系统中产生一个孔，使得孔中的物体能不被外界探测出来，从而率先预测了 特定的超材料薄层能够让光线绕过物体，从而使物体隐形【2 3 1 。在短短几个月之后， 2 0 0 6 年1 0 月，d s c h u r i g 及d r s m i t h 等就展示了这种斗篷的雏形【2 4 】，利用与 左手材料的设计方法相类似的梯度超材料实现了隐身斗篷的功能。于是，继左手 材料之后，隐身斗篷的研究再一次吸引了科学家们的目光，各种基于这一思想的 构想如雨后春笋般蓬勃而出。2 0 0 6 年底，s c i e n c e 又一次将隐身斗篷列为当年的“十 大科学进展”。 如今，归功于其独特的电磁特性，超材料在电磁学领域占有很重要的地位， ，。泛应用于光学和微波等方面，如新型调制器、滤波器、透镜以及天线等。 1 。2 选题背景及意义 如上所述，太赫兹技术是当前电磁波领域的热点之一，有着广阔的应用前景 和研究价值。美国的麻省理工学院( m i t ) 电气工程与计算机科学系( d e p a r t m e n t o f e l e c t r i c a le n g i n e e r i n ga n dc o m p u t e rs c i e n c e ) 的电磁理论和应用中心( c e n t e rf o r e l e c t r o m a g n e t i ct h e o r ya n da p p l i c a t i o n s ， c e t a ) 也投入到太赫兹研究工作中，对 适合在太赫兹领域工作的材料特性进行了广泛的研究。 本人在m i t 交流期间，参与了上述科研工作，认识到将s p p 技术应用于太赫 兹频段时金属材料带来了一些问题。有研究表明：在太赫兹频段，由于金属的介 电常数变得很大，s p p 不能很好的把波约束在金属表面，有一些微弱的散射，7 0 】。 于是有研究人员开始使用在太赫兹频段比金属介电常数低很多、对太赫兹波的功 6 引言 率吸收和损耗较小的半导体材料来替代金属。2 0 0 3 年开始，j g 6 m e zr i v a s 和m k u t t g e 等研究人员分别发现：在用锑化铟( i n d i u ma n t i m o n i d e ，i n s b ) 或重掺杂硅 制成的孔阵列和槽形光栅中有太赫兹波的增强传输m 7 4 1 。在此基础上， y u n g c h i a n gl a n 等人于2 0 0 7 年在太赫兹频段用外加恒定磁场下的半导体来代替 金属激发和约束，研究了在外加恒定磁场下的半导体表面太赫兹频段的s p p 的可 调性【7 0 1 。此时，s p p 模式也可以叫做表面磁性等离体激元( s u r f a c em a g n e t o p l a s m o n p o l a r i t o n s ，s m p ) 。 在太赫兹频段，外加恒定磁场作用下的半导体等离子体具有以下优点：首先， 半导体介质中电子在外加磁场的作用下将产生回旋运动，同时回旋频率可以通过 改变外加磁场的大小来加以调节；其次，改变外加磁场的大小和方向，还可以得 到介质的不同的色散关系，这些特点使得制作太赫兹频段的可调器件成为可能； 第三，由于半导体中电子的有效质量较小，所以中等大小的外加磁场就可以产生 在太赫兹频段所需的回旋频率，在现实中相对容易实现，这就为实际应用带来了 可能性。 实际上，在外加恒定磁场作用下，半导体等离子体不再是各向同性的介质， 而成为了介电常数为张量的介质旋电介质( g y r o e l e c t r i cm e d i u m e l e c t r i c a l l y g y r o t r o p i cm e d i u m ) 。 基于上述背景，本人在m i t 交流科研期间，选择了旋电介质作为主要研究对 象，将电磁波在其中的传播特性作为研究课题，通过理论推导和仿真计算等手段， 为将来制作可调的太赫兹器件作理论指导，为以后的实际应用奠定理论基础。 1 3 本文主要研究内容 本文主要围绕以下几个方面展开工作： 1 、电磁波在旋电介质中传播的基本特性。首先，从时谐场的麦克斯韦方程出 发，简要推导了等离子体在外加恒定磁场情况下的本构参数，从本构参数得到旋 电介质无损耗和非互易的特点。其次，在k d b 坐标系下推导旋电介质中的平面波 的色散关系，着重讨论了v o i g t 结构下的平面波特性。得出v o i g t 结构的旋电介质 中平面波可以分解为t e 波和t m 波，同时研究了旋电介质中的t m 波与各向同性 介质中t m 波的不同之处，为进一步研究其他特性打下了坚实的理论基础。相关 内容见本文第二章。 2 、电磁波在旋电介质表面的传播特性。针对旋电介质与各向同性介质的分界 面，首先分别推导出 r e 波和t m 波的反射和透射系数，研究了外加磁场对t m 波 的反射和透射情况的影响，指出：由于外加磁场的存在，t m 波的反射和透射系数 7 北京交通大学博士学位论文 还与波入射角度的正负有关；然后分四种不同情况，对外加磁场很大的情况下的 旋电介质与各向同性介质的分界面存在表面磁性等离体激元的条件进行了深入研 究，得到出现反向波的条件。相关内容见本文第三章。 3 、电磁波在旋电介质条形波导中的传播特性。本文针对受外加磁场影响的t m 波，从反射系数出发，对旋电介质条形波导中实现导波的条件进行了深入研究。计算 了在对称旋电介质条形波导的两个边界电磁波发生全反射时的g o o s h 菌n c h c n 相移 角，从而推导出波导模式和表面波模式的导行条件