（光学专业论文）基于metamaterials太赫兹动态器件的研究与设计.pdf

摘要 摘要 太赫兹( t e r a l l e n z ，t h z ) 波是指频率在0 1 t h z 1 0 t h z ( 1 t h 萨1 0 1 2 i z ，波长介 于3 0 p 研3 m m ) 范围内的电磁辐射，其波段位于毫米波与红外线之间，是宏观电 磁理论向微观量子理论过渡的区域，有着重要的学术和应用研究价值。2 0 世纪8 0 年代以来，随着常规太赫兹源的成功研发，太赫兹科学技术获得迅速的发展。但 到目前为止，能工作在太赫兹波段的器件仍比较缺乏，这对于太赫兹科学技术的 发展带来了一定的困难。 m e t a m a t e r i a l s ( 新型人工电磁媒质) 是当前电磁学、物理学、光学、材料科学及 交叉学科非常前沿和热门的研究领域之一，近年来引起了学术界广泛的关注。 m e t a m a t e r i a l s 与传统媒质最本质的区别在于它利用人工设计的宏观尺寸单元代替 了自然物质的微观尺寸单元( 原子或分子) 。因此，可以通过人为地设计谐振单 元来控带t j m e t a m a t e r i a l s 的电磁属性，从而实现自然界不存在的特殊媒质，进而实现 一批新型的微波、毫米波、t h z 波及光波器件和系统。由于m e t a m a t e r i a l s 的发展以 及自身结构的特殊性，这也为太赫兹器件的发展提供了一条有利的途径。 本论文主要分析了m e t a m a t e r i a l s 的电磁特性，并对m e t a m a t e r i a l s 的电磁谐振过 程与等效电路分析法进行了详细的理论研究。同时，利用等效电路法设计出了可 工作在太赫兹波段的e l c 单元结构和e l c 双谐振结构。通过对m e t a m a t e r i a l s 单元结 构的研究分析，总结出了基本结构参量变化对谐振特性的影响规律。在此基础上， 通过在单元结构中引入可调谐因素与外加激励的方式，分别设计出了三类谐振频 率在1 t h z 的m e t a m a t e r i a l s 动态器件，并通过材料替换来优化器件的效率。对各个 器件性能进行了比较，并对动态器件的设计方法给出了总结。 本论文主要的研究内容和所得成果如下： 1 本文利用等效电路法对m e t a m a t e r i a l s 的特性进行了详细的研究与分析，给出了 等效参数的计算方法，并通过数值仿真验证了等效电路法的可行性。 2 本文利用s 参数法，通过数值仿真提取出了三类m e t a r n a t e r i a l s 结构的等效本构 参数，其仿真结果符合各类结构的电磁特点，也可对各结构的电磁仿真结果进 行合理的解释与说明。 3 本文应用等效电路法设计出了太赫兹波段的e l c 单元结构和e l c 双谐振结构， 并利用电磁仿真工具对设计的单元结构进行了数值模拟、结构优化与特性分 摘要 析。在此基础上，总结出了基本结构参量变化对谐振特性的影响规律，该规律 对于m e t a m a t e r i a l s 的结构设计有着较大的参考作用。 4 本文通过对m e t a m a t e r i a l s 结构引入可调谐因素的方式，分别设计出了谐振频率 在1 t h z 的幅度可调器件、频率红移器件与频率蓝移器件，并通过基底材料的 改变实现了具有高调制效率的红移器件。同时利用电磁仿真工具对设计的器件 进行了数值模拟和特性分析，并对各个器件性能进行了比较，对动态器件的设 计方法给出了总结。 关键词：太赫兹，m e t a m a t e r i a l s ，动态器件 i i a b s t r a c t t e r a h e r t z ( t h z ) w a v e sr e f e rt ot h ee l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o nw i t ht h ef r e q u e n c y r a n g eo f0 1t h z t oio t h z ( w a v e l e n g t hr a n g eo f30p mt o3m m ) ，w h i c ht h ew a v eb a n d i sb e t w e e nr n i l l i m e t e ra n di n f r a r e dr a y ，a n di st h et r a n s i t i o na r e af r o mt h em a c r o s c o p i c e l e c t r o m a g n e t i ct h e o r yt o t h em i c r o c o s m i cq u a n t u mt h e o r y t e r a h e r t zs c i e n c ea n d t e c h n o l o g yh a si m p o r t a n ta c a d e m i ca p p l i c a t i o na n dr e s e a r c hv a l u e a s t h et h zs o u r c e h a ss u c c e s s f u l l y d e v e l o p e d ，t h e t e r a h e r t zs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yw o u l db ew e l l d e v e l o p e ds c i e n c et h e8 0 so f2 0c e n t u r i e s y e ts of a r ，b e c a u s eo fl a c k i n g t h ee l e c t r o n i c d e v i c e st h a tc a r lw o r ki nt h zb a n d , t h et h zt e c h n o l o g ym e e t ss o m e w h a td i f f i c u l t i e s m e t a m a t e r i a l si sag r o s ss t u d yd o m a i no fe l e c t r o m a g n e t i c ，p h y s i c s ，o p t i c sa n d ma = t e r i a ls c i e n c e ，a n dh a sc a u s e de x t e n s i v ec o n c e r ni na c a d e m i cc i r c l e si nr e c e n ty e a r s t l l ee s s e n t i a ld i f f e r e n c eb e t w e e nm e t a r n a t e r i a l sa n dt r a d i t i o n a lm a t e r i a l si su s i n go f m a c r o s c o p i cd i m e n s i o n c e l l st o r e p l a c e m i c r o c o s m i cd i m e n s i o nc e l l s ( a t o ma n d m o l e c u l e ) s o ，t h ee l e c t r o m a g n e t i cp r o p e r t i e so fm e t a m a t e r i a l sc a nb ec o n t r o l l e db y d e s i g n i n gt h er e s o n a n tc e l lo fm e t a m a t e r i a l sa r t i f i c i a l l y b yt h i sw a y ，s o m en o n e x i s t e n t m 删a l sc a nb ec o n s t r u c t e d ，w h i c hi sh e l p f u lf o rd e s i g n i n go fs o m en e w d e v i c e sa n d s v s t e m sf o rm i l l i m e t e rw a v e ，m i c r o w a v e ，a n dt h zw a v e r e s o u r c e s d u et ot h e p a r t i c u l a r i t yo fm e t a m a t e r i a l s ，i tc a np r o v i d eaf a v o r a b l ew a yt od e v e l o pt h e t i - i z d e v i c e s i nt h i st h e s i s ，t h e p r i n c i p a lt h e o r y a n dt h ee l e c t r o m a g n e t i cp r o p e m e so f m e t a r n a t e r i a l sw e r et h o r o u g h l ya n a l y z e d u s i n ge q u i v a l e n tc i r c u i tm e t h o d s ，t h ee l c f e l e c t r i c i n d u c t i v e c a p a c i t i v e ) r e s o n a t o ro p e r a t i n gi nt h zr e g i o na n dt h e e l cw i t h d o u b l e r e s o n a n c ew e r ed e s i g n e d a n db a s eo i lt h er e s e a r c ho f t h ec e l l u l a rc o n s t r u c t i o n o fm e t a m a t e r i a l s ，t h e r u l e sa b o u tt h ee f f e c to fm a i ng e o m e t r i c a lp a r a m e t e r so f m e t a m a t e r i a l so nt h er e s o n a n c ep r o p e r t i e sw e r es u m m a r i z e d t h e n ，b yi n d u c t i n gt h e t i 】n a b l ef a c t o ri n t ot h ec e l l so fm e t a m a t e r i a l s ，t h r e et y p e so fd y n a m i ct e r a h e r t zd e v i c e s 、耽r ed e s i g n e d ，w h i c ht h er e s o n a n c ef r e q u e n c i e sa l la r e1t h z a n dt h ep e r f o r m a n c eo f d e v i c ec a nb eo p t i m i z e db yc h a n g i n gt h em a t e r i a l s b yc o n t r a s t i n gt h ep e r f o r m a n c eo f t h e s ed e v i c e s ，a n a l y s i sr e s u l t sw e r eg i v e nf r o ms e v e r a la s p e c t s f i n a l l y ，t h ed e s i g n i i i a b s t r a c t m e t h o d so ft h ed y n a m i cd e v i c ew e r ec o n c l u d e d t h ef o l l o w i n gr e s u l t sh a v e b e e na c h i e f e di nt h i st h e s i s ： 1 t h ee l e c t r o m a g n e t i cp r o p e r t i e so fm e t a m a t e r i a l st h r o u g ht h ee q u i v a l e n tc i r c u i t m e t h o d sw e r ep r e s e n t e d ，a n dt h ec a l c u l a t i o nm e t h o d so fe q u i v a l e mp a r a m e t e r w e r eg i v e ni nt h ep a p e r a n du s i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o n , w ev e r i f yt h ef e a s i b i l i t y a n de f f e c t i v e n e s so ft h i sm e t h o d 2 u s i n gsp a r a m e t r i cm e t h o d ，w ep i c k e du pt h e c o n s t i t u t i v e p a r a m e t e r o f m e t a m a t e r i a l sb yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n a n dt h er e s u l t sa g r e e dw e l l 谢t l lt h e e l e c t r o m a g n e t i cp r o p e r t i e so fm e t a m a t e r i a l s 3 n l ee l cr e s o n a t o r st h a tc a r l o p e r a t e i nt h zr e g i o na n dt h ee l cw i t h d o u b l e - r e s o n a n c et h r o u g ht h e e q u i v a l e n t c i r c u i tm e t h o d sw e r es t u d i e da n d d e s i g n e d a n dt h e s eh a db e e ns i m u l a t e da n do p t i m i z e db yt h ee l e c t r o m a g n e t i c s i m u l a t i o nt 0 0 1 o nt h i sb a s i s ，t h er u l e sa b o u tt h ee f f e c to fm a i ng e o m e t r i c a l p a r a m e t e r so fm e t a m a t e r i a l so nt h er e s o n a n c ep r o p e r t i e sw e r es u m m a r i z e d 4 t h o u g hi n d u c t i n g t h et u n a b l ef a c t o ri n t ot h ec e l l so fm e t a m a t e r i a l s ，t h e a m p l i t u d e a g i l em e t a m a t e r i a l sd e v i c e ，r e d s h i f ta n db l u e s h i f tm e t a m a t e r i a l s d e v i c e sw e r ed e s i g n e d ，w h i c ht h er e s o n a n c ef r e q u e n c i e sa l la r e1t h z t h e n ，w e c h a n g e dt h em a t e r i a l st oo p t i m i z et h ep e r f o r m a n c eo fd e v i c e ，a n dr e a l i z e da l l o p t i c a l l y r e d s h i f tm e t a m a t e r i a l s 晰mt h e h i 曲e f f i c i e n c y a l lt h e s ed e v i c e s d e s i g n e dh a db e e ns i m u l a t e da n da n a l y z e db yt h ee l e c t r o m a g n e t i cs i m u l a t i o nt o o l ， a n dt h ed e s i g nm e t h o d so ft h ed y n a m i cd e v i c ew e r ec o n c l u d e d k e y w o r d s ：t e r a h e r t z ( t h z ) ，m e t a r n a t e r i a l s ，d y n a m i cd e v i c e i v 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 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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 为获得电子科技大学或其它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己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：二叵l 牡 日期：砂矿年驴月莎目 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技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，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：! 主鲎导师签名：形形乡、丁扫 。- - _ _ - - - _ 工- 。- 一 日期：年月日 第一章绪论 1 1 太赫兹波简介 第一章绪论 太赫兹( t e r a h e r t z , t h z ) 波是指频率在0 1 t h z 1 0 t h z ( 对应波长则介于 3 0 b t m 3 m m ) 范围内的电磁辐射，其波段位于毫米波与红外线之间，是宏观电磁 理论向微观量子理论过渡的区域，有着重要的学术和应用研究价值【l 。2 1 。如图1 1 所示，由于太赫兹波段在电磁波谱中的特殊位置，电子学领域又将该频段的电磁 波称为亚毫米波；而在光学领域，它也被称为远红外射线。在自然界中，大多数 物体的热辐射都处在太赫兹频段，但是在2 0 世纪8 0 年代之前，因缺乏高性能的 太赫兹波段的辐射源以及探测设备，该波段的电磁辐射并没有得到深入全面的研 究，从而在电磁波谱中形成了所谓的太赫兹空隙。 1 0 01 0 3l0 61 0 91 0 妇1 0 1 51 0 1 81 0 2 1l 酽 图1 1 太赫兹频段在电磁波谱中的位置 2 0 世纪8 0 年代以来，随着常规太赫兹源的成功研发，超快激光技术为t h z 脉冲的产生提供了稳定可靠的激发光源，从而使太赫兹科学技术得到了迅速的发 展，对太赫兹的认识也得到了不断的加深。由于太赫兹波段在电磁波谱中所处的 特殊位置，太赫兹辐射具有一系列卓越的性质【l 3 1 。太赫兹波的量子能量很低，相 比于x 射线具有千电子伏的光子能量，一个频率为1 t h z 的光子能量仅为4 1m e v ， 对应的特征温度为4 8k 。根据研究表明，太赫兹波的光子能量是低于各类化学键 的键能，故它不会导致有害的电离反应，这一特点对于在人员安检与物质无损检 测等应用中有着重要的意义。其次，由于太赫兹的频率很高，波长很短，若将其 作为通信载体，与微波相比它有着更大的信息容量，能承载更多的信息；而在成 像的应用领域中，太赫兹波的短波长性质使之有着很高的空间分辨率和时间分辨 电子科技大学硕士学位论文 率。此外，太赫兹频段极宽，它几乎覆盖了各种大分子的转动和振荡频率【l 3 】。因 此，太赫兹科学技术有着重要的学术研究价值，在医学、国防、通信等许多领域 有着巨大的科学应用前景0 1 ，这使得世界各国都给予了极大的关注。 在美国包括常青藤大学在内等十余所大学以及美国重要的国家实验室都在从 事太赫兹科学技术的研究工作。美国国家基金会、国家航天局与能源部等在2 0 世 纪9 0 年代中期就开始对太赫兹的研究进行了大规模的投入。同时美国极为重视太 赫兹技术在军事上的重要意义，目前其己建立了机载0 2 5 5 t h z 的遥感雷达系统。 在欧洲，英国的r u t h e r f o r d 国家实验室、剑桥大学等十余所大学与科研机构都积极 开展太赫兹技术的科研工作。欧洲国家还利用欧盟的资金组织了跨国家与多学科 的大型合作项目。2 0 0 5 年1 月，日本提出了未来十年科技战略规划，其包括十项 重大关键技术，并将太赫兹技术列为首位。在日本国内，东京大学、京都大学以 及s l l s c 等大学公司都在大力开展太赫兹的研究与开发工作。此外，亚洲的韩国 国立汉城大学、浦项科技大学、新加坡国立大学、台湾大学等都大力积极的发展 太赫兹技术，并取得了不错的科研成绩。而在国内，太赫兹科学技术受到了各科 研院校的高度关注。国家科技部、国家自然科学基金委员会等都给予了一定的支 持。2 0 0 5 年，以太赫兹科学技术为主题的第2 7 0 次香山科学会议的召开，大大推 动了我国太赫兹科学技术的研究。针对国际上的研究瓶颈问题，我国在太赫兹源、 探测、成像应用以及传输等领域的理论和实验研究上取得了一些重要成果。 1 2m e t a m a t e r i a l s 的发展状况 自然界中，物质的电磁本构关系可表示为： d = s e + 考h( 1 - 1 ) b = p h + e( 1 - 2 ) 其中s 、眚、p 和亭为张量，其体现了介质在各个方向上的电磁特性。如果是各向 同性物质，则本构方程可以简化为：d = e e 和b = h 。其中s 和表示的是介质 电磁特性的特征量，即介电常数和磁导率，介电常数s 反映了介质对电场的响应， 而磁导率“则反映了介质对磁场的响应。对于自然界中的大部分物质而言，介电 常数与磁导率一般都为正值，即：占 0 ，p 0 。如果介质的s 为负值或为负值 时，电磁波在该类介质中则会因衰减很快而无法传播。但若s 和“同时为负值时， 2 第一章绪论 由于s 与“的乘积为正值，电磁波在该介质中仍能够传播。在这种情况下，其相速 度方向与能量传播的方向相反，电磁波是以反向波的形式在介质中进行传播，该 类介质则被称之为m e t a m a t e r i a l s 。由于在自然界中一直未能找到具有这类特性的 天然介质，因而它只能通过人工复合的方法来得以实现。 最早对m e t a m a t e r i a l s 进行理论研究的科学家是v e s e l a g o ，在其1 9 6 8 年发表的 文章【4 】中假设，当某种材料的介电常数与磁导率同时为负数时，电磁波将以反向波 的形式传播，其电场，磁场以及波矢满足左手正交系。因此，v e s e l a g o 把这类介质 命名为左手媒质( l h m ，l e f t h a n d e dm a t e r i a l ) 1 1 j 。同时，v e s e l a g o 还系统的研究了该 类介质所具有的电磁特性，如：逆折射效应、逆多普勒效应等等【5 】。但由于在自然 界中找不到这种物质，因此无法从真实材料上通过实验观察研究左手物质的奇异 特性，而相应的研究一直到上世纪九十年代才引起了科学家对该领域的巨大重视。 1 9 9 6 年，英国皇家学院的p e n d r y 教授在微波段内设计出了等效介电常数为负 值的周期金属棒阵列结构【1 2 以3 1 。1 9 9 9 年，p e n d r y 等学者又提出利用开1 2 1 金属谐振 环( s r r , s p l i t r i n gr e s o n a t o r ) 的周期性排列结构在微波段实现了负的磁导率u 引。2 0 0 0 年，美国加州大学圣迭戈分校的s m i t h 教授等人将实现负介电常数和负磁导率的两 种结构结合起来，将其印制在电路板上，首次制造出在微波段同时具有负介电常 数和负磁导率的s r r r o d 结构左手媒质，其频率范围为4 2 g h z 到4 6 g h z 并通过 实验成功地观察到了负折射现象【l5 1 。这一重大实验研究成果在当年的( ( s c i e n c e ) ) 杂志上发表，引起国际强烈反响，m e t a m a t e r i a l s 的研究也成为国际物理学界和电 磁学界以及其他相关交叉学科的研究热点。在此之后，基于科学家们在理论和实 验上的多项发现，左手媒质的研究被( ( s c i e n c e ) ) 杂志评为2 0 0 3 年度全球十大科学 突破之一，引起全球瞩目，不少研究小组投入到该领域的研究中来，从而促进了 m e t a m a t e r i a l s 的快速发展。 随着对该领域不断深入的研究，从2 0 0 5 年开始，对m e t a m a t e r i a l s 的认识上升 到一个新的高度。原来对m e t a m a t e r i a l s 的研究和认识基本限于左手媒质以及相关 的一些材料，但实际上，m e t a m a t e r i a l s 能构造出的本构参数还可以是许多其他形 式，包括很多难以在自然界中找到的形式。作为一种本构参数具有极大调节范围 的新型人工电磁媒质，可以对外加电磁波产生各种奇特响应。因此，可以使 m e t a m a t e r i a l s 在理论上发掘出更多应用，而不仅仅局限于左手媒质的范畴。 2 0 0 6 年，杜克大学的s m i n l 教授和s c h u r i g 博士等人利用m e t a m a t e r i a l s 成功 研制了在微波段的圆柱形隐身大衣。他们利用此结构装置，成功地验证了用 m e t a m a t e r i a l s 实现隐身大衣的构想【l6 1 ，该成果发表在s c i e n c e ) ) 杂志上，并被 电子科技大学硕士学位论文 ( ( s c i e n c e ) ) 杂志评为2 0 0 6 年的十大科技进展之一。隐身大衣的提出和对电磁波控 制的实现在m e t a m a t e r i a l s 研究领域有着重大的意义，它标志着新型人工电磁媒质 已经突破了左手媒质和负折射的限制，向着更广阔的领域扩展。同年，s m i t h 教授 和s c h u r i g 博士在基于m e t a m a t e r i a l s 对电磁波中各部分的响应特性上，将其分为三 类【1 7 j ：e l c ( e l e c t r i c l c 对外加电场产生响应) ，m l c ( m a g n e t i c l c 对外加磁场产生 响应) ，e m l c ( e l e c t r o m a g n e t i c l c 对外加电磁场产生响应) 。至此，m e t a m a t e r i a l s 的研究领域变得更为的细化，研究深度也得到进一步的延伸。 m e t a r n a t e r i a l s 在近几年一个极为重要的应用是：使之成为一种可任意控制电 磁波的有效手段。要实现对电磁波进行复杂精确的控制，理论上要求对所用材料 的介电常数、磁导率在空间上按照一定规律变化，或是取一些奇特的参数值，所 以相比于传统媒质和传统电磁波导行器件结构，它有着更大的发展潜力。而 m e t a m a t e r i a l s 的每个组成单元都是通过人工设计而实现，从而能方便灵活地调整 其各部分的电磁响应特性。就目前的研究表明，m e t a m a t e r i a l s 的工作频段可以在 射频微波波段、太赫兹波段、红外波段、甚至光波段上得以实现，其结构尺寸向 小型化发展【】m o j 。其次，m e t a m a t e r i a l s 的应用领域极其广泛，除了用作完美成像 外【2 l 】，它还可以应用在移相器、滤波器、频率选择表面、各类天线等许多方面 2 2 2 5 1 。 可见，由于m e t a m a t e r i a l s 电磁特性的奇异性，该领域有着广阔的应用前景。 1 3 本文的研究目的及内容 到目前为止，m e t a m a t e r i a l s 的大部分实验及研究基本针对于微波波段而进行 的，随着m e t a m a t e r i a l s 研究的不断深入，其工作频率也逐渐向高频段发展，如太 赫兹频段、红外频段、甚至光波段【1 7 2 0 】。其中，由于太赫兹频段的特殊性及重要 性，许多研究小组已开始对处于太赫兹频段的m e t a m a t e r i a l s 谐振结构以及基于 m e t a m a t e r i a l s 的太赫兹器件进行研究瞄之9 】。太赫兹波段位于毫米波与红外线之间， 是宏观电磁理论向微观量子理论过渡的区域，在许多领域内都有着巨大的潜在应 用价值i l 1 0 1 。2 0 世纪8 0 年代以来，随着常规太赫兹源的成功研发，太赫兹科学技 术获得迅速的发展。但到目前为止，能工作在太赫兹波段的器件仍比较缺乏，这 对于太赫兹科学技术的发展带来了一定的困难。而m e t a m a t e r i a l s 的出现为实现太 赫兹动态器件提供了一条可行的途径，其具有着重要的意义。 如上所述，本文的研究目的正是基于此：即利用m e t a m a t e r i a l s 来实现太赫兹 频段的动态器件。为了设计出具有较好性能的太赫兹动态器件，本文进行了大量 4 第一章绪论 的研究工作，通过对处于微波频段及太赫兹频段的m e t a m a t e r i a l s 单元谐振结构特 性的研究，总结出单元结构尺寸对器件性能的影响规律，并利用该规律与等效电 路法来指导之后的结构单元和器件设计。在结构设计上，本文利用等效电路法实 现了太赫兹频段的e l c 谐振单元和e l c 双谐振单元结构。在此基础上，通过利用 外加激励的方法来设计实现了三类太赫兹动态器件。同时，根据外加激励方式的 不同，本文对各个器件的性能进行了分析比较。最后，本文从构成器件的材料上 进行替换，借此来改善动态器件的性能。 本文的内容结构安排如下： 第二章主要介绍m e t a m a t e r i a l s 的电磁特性，其中包括m e t a m a t e r i a l s 的基本概 念、奇异电磁特性以及m e t a m a t e r i a l s 的构造。 第三章主要介绍了m e t a m a t e r i a l s 的等效电路分析法，并通过数值仿真计算给 予了验证。同时，简要的介绍了提取m e t a m a t e r i a l s 等效结构电磁参数的方法。 第四章在基于s c h u r i g 对m e t a m a t e r i a l s 分类的基础上，对各类m e t a m a t e r i a l s 结构进行研究，并通过设计程序提取出了对应单元结构的等效电磁参数。其中， 由于e l c 电谐振结构的特殊性，并作为后文动态器件设计的模型基础，对这类结 构做了深入的研究分析，实现了对应e l c 互补结构的设计。同时，利用等效电路 法设计出了谐振频率在1t h z 的e l c 单元结构以及具有两个谐振点的双谐振e l c 单元结构。此外，为便于指导后继的器件设计，对该太赫兹频段e l c 的结构参量 进行了仿真分析，并总结出了基本结构参量变化对谐振特性的影响规律，且该规 律在m e t a m a t e r i a l s 设计中具有普适性。 第五章以可工作在太赫兹频段的基本m e t a m a t e r i a l s 结构为切入点，并由此引 出了基于m e t a m a t e r i a l s 太赫兹动态器件的发展状况与设计构思。基于此，对本文 设计的各类动态器件进行了详细的介绍分析，并通过电磁仿真结果来评估器件的 性能优劣。同时，从动态器件的组成材料上进行考虑，优化选取出在太赫兹频段 具有较好电磁性能的材料来设计实现高性能的器件。最后对各类动态器件进行性 能比较，由此总结出动态器件的设计方法和步骤。 第六章对本论文的工作进行了全面的总结。 电子科技大学硕士学位论文 第二章m e t a m a t e r i a l s 电磁特性分析 由于m e t a m a t e r i a l s 具有着特殊的电磁参数，因而引出了一系列奇异的电磁特 性，如逆s n e l l 效应，逆d o p p l e r 效应等等。然而在自然界中，因一直未能发现这 类介质，其并未受到关注。直至2 0 0 0 年，s m i t h 根据p e n d r y 的分析结果首次实现 了这类人工介质，并通过实验证实了其负折射率特性的存在。本章将主要对 m e t a m a t e r i a l s 的基本电磁特性及其构造实现进行介绍。 2 1 m e t a m a t e r i a l s 的基本概念 假设在各向异性介质中传播的平面电磁波表达形式为： e = e o e 一皿7 h = h o e 一皿 根据m a x w e l l 方程组以及表达式( 2 一1 ) 可得： v x e = 一心一业7 e o = - j c o u h o e 一业f 因此在该情况下，其波动方程可表为如下： k x e o = c o h o k x h o = - c o t e o ( 2 - 1 a ) ( 2 - l b ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 a ) ( 2 - 3 b ) 分析上式可看出，当g 和都大于0 时，电场e 、磁场h 以及传播常数k 的方向关 系满足右手正交关系，该类物质常被称作右手介质( r h m ，r i g h t h a n d e dm a t e r i a l ) ， 如图2 1 ( a ) 所示，其坡印廷矢量s 与波矢k 方向相同，为一前向波；当或p 中有 一个小于0 时，k 则为一虚数，电磁波不能传输；而当s 和“都小于0 时，由上述 方程可知，此种情况下，电场e 、磁场h 以及传播常数k 的方向关系符合左手正 交关系，因此，这类介质被冠名为左手介质( l h m ，l e f t h a n d e dm m e r i a l ) ，而如今国 际上的科研工作者则习惯称之为m e t a m a t e r i a l s 。如图2 1 ( b ) 所示，其坡印廷矢量s 与波矢k 方向相反，此时它为一后向波。坡印廷矢量s 的表达形式为： s = e x h ( 2 4 ) 6 第二章m e t a m a t e r i a l s 电磁特性分析 可见电场e 、磁场h 以及坡印廷矢量s 的方向仍然呈右手螺旋关系。由于坡印廷矢 量s 的方向表示的是能量传播的方向，而k 的方向表示的是相速度的方向。因此， 在和“都小于o 时，能量传播方向与相速度方向是相反的，即波前是向着波源的 方向传播，这与在常规介质中的状况恰好相反。但值得注意的是，尽管s 和口均为 一负数，但由于s 和“同号，则k 为一实数，k 2 大于o ，电磁波仍然是可以传播的。 通过以上分析，对电磁波在各类介质( 引入m e t a m a t e r i a l s ) 中的传输状况进 行总结。如表2 1 所示，当介质的磁导率与介电常数同号时，传输常数为实数，电 磁波在这类介质中是以传输波形式而存在，并进行传播；当介质的磁导率与介电 常数异号时，其传输常数为虚数，k 2 小于o ，电磁波在这类介质中表现为倏逝波， 因衰减很快而不能传播。 ( a ) 常规介质( t r a m )( b ) m e t a m a t e r i a l s ( l h m ) 图2 - 1s 、e 、h 与k 的方向关系 表2 1 电磁波在各类介质中的传输状况 传输状况介质类型k 取值情况 传输波s 0 ，“ 0 k 为实数 0 ，p 0 k 为虚数 s 0 舻 o 需要进一步解释的是：由于相速度表示的只是对应扰动的方向【3 0 1 ，而并非是 能量传播的方向，因此，当相速度取负值时，它并没违背因果关系。同时，群速 度对应着能量传播方向，即能量传播的方向应该通过计算各处坡印廷矢量的方向 来决定，而其方向始终是符合自然定律的。 7 电子科技大学硕士学位论文 2 2m e t a m a t e r i a l s 的奇异电磁特性 当占和“都小于0 时，电磁波的波矢k 方向与功率流方向相反，即： k = c o 掣 0( 2 5 ) 则其折射率为： n = 掣 0 ，根 据折射率的定义可得： n 2 = 肛( 2 7 ) 行= 厄万彳万再石百万可拓了 1 + i ( e e + v 卢- ) 2 】( 2 8 ) 由于在表达式( 2 - 8 ) 中，其虚部必须要大于零，在s 0 ，p c l n i ，则粒 子将在其运动方向上辐射出角锥状的光锥，且其光锥的角度日满足c o s 0 = c ( f v ) 。 如图2 - 3 ( a ) 所示，其为一带电粒子在常规介质中发生c e r e n k o v 辐射产生光锥的示 意图，在常规介质中粒子辐射的是前向光锥。2 0 0 3 年，j l u 等科研人员仔细研究