（光学工程专业论文）手性光学波导元件及其材料研究.pdf

手性光学波导元件及其材料研究 y ? 3 | 2 7 5 7 摘要 近年来，手征介质材料中电磁波传输研究成为国内外一个新的热点。有关研究表明，由丁i 波导中 添加的手征介质对波的传播特性产生的影响，类似于各向异性材料的作用结果，其本构关系中电场和 磁场是交叉耦合的，在其中能传播具有不同传播速度的左旋和右旋电磁波，因此，手征波导具有许多 特有的性质，根据这些效应，完全有可能研制出许多新器件，例如消偏振器、极化仪、双讯 器、传感器、新型开关及调制器等。本课题旨在对手性光学波导元件及其材料进行研究。 在实验研究方面，主要完成以下几方面的研究工作： 研制出含手性分子葡萄糖和灰黄霉素的硅基溶胶一凝胶材料，发现无论是在液态的溶胶，还是在 吲态的凝股，它们均表现出相似的光学活性。 研制出含手性分子灰黄霉素的p d a 溶胶一凝胶材料，发现也能得到上述类似的光学活性结果。 通过傅立叶红外谱进行测试发现，手性分子填充于凝胶基质的介质孔中，而并未与基质成键。 研制出含微米手性晶粒的凝胶玻璃，发现其表现出消偏振的效应。而将微米手性晶粒替换成同样 尺寸粒径的玻璃粉体，以同样方法制成的相同厚度的含微米玻璃粉体的凝胶玻璃，却表现出线偏振保 持的性能。 采用标准水溶液法生长出各向同性的手性氯酸钠微小晶粒，并采用溶胶一凝胶法获得含手性氯酸 钠晶粒的凝胶材料，发现氯酸钠可与溶胶一凝胶体系构成有旋光特征的手征材料。首次从实验上证实， 在紫外区域，氯酸钠晶体在各个方向上均表现出相同的圆二色性：在可见光区域，氯酸钠晶体在各个 方向上均表现出相同的旋光色散特性，这一现象与另外一种手性晶体水晶显然是不同的。 研制出固体手性圆波导，通过对手性圆波导和非手性圆波导的偏振特性进行测试，并与块状手性 材料进行比较，发现固体手性圆波导具有特有的光学偏振特性。 为实现上述材料的特性测量，自行试制了一套偏振特性测量装置、一套以超高亮度l e d 为光源的 四波段旋光色散仪以及一套基于光栅光谱仪的旋光色散装置，获得的测量结果具有较高的精度，较好 的重复性、稳定性。 在理论研究方面，主要完成以f j l 方面的研究工作： 研究了纤芯和内外包层都有手征的双包层手征光纤中的半漏模，发现双包层手征光纤中的半漏模 特性与单包层手征光纤中的相比有很大不同。当只有包层中有手征时单包层手征光纤中也存在半漏 模。 研究了烈包层手征光纤纤芯和内外包层的手征参数及内包层厚度对模式色散特性的影响，发现在 双包层光纤的纤芯和内外包层中引入手征，可以极大地改变光纤中基模的色散特性，特别是内包层厚 度不同时，色散特性也极为不同。 关键词：手性材料：溶胶一凝胶：旋光特性：圆二色性：红外光谱；光纤 s t u d y o nt h eo p t i c a lc h i r a lw a v e g u i d ec o m p o n e n t sa n d c h i r a lm a t e r i a l s a b s t r a c t r e c e n t l y , o n ec o u l di - 1 0 r ee a s i l ys e et h ee v e rg r o w i n gi n t e r e s ti n t oe f f e c to f c h i r a lm e d i ao i le l e c t r o m a g n e t i c w a v e s r e c e n t p u b l i c a t i o n so ng u i d e d w a v ep r o p a g a t i o ni ns t r u c t u r e sf i l l e dw i t hc h i r a lm a t e r i a lh a v es h o w nt h a t t h ee f f e c t sw h i c ho c g t u a r es i m i l a rt ot h eo n e si nw a v e g u i d e sc o n t a i n i n ga n i s o t r o p i cm a t e r i a l s b e c a u s et h e c o n s t i t u t i v er e l a t i o n sf o re l e c t r i ca n dm a g n e t i cf i e l d sa r ec o u p l e di i lc h i r a lm a t e r i a l s t w ow a v e sw i t hd i f f e r e n t p r o p a g a t i o ns p e e d sc a n b es u p p o s e d b a s e do nt h i se f f e c tan u m b e ro fn e wc o n s t r u c t i o n si n c l u d i n gd e p o l a r i z e r s ， p o l a r i m e t e r s ，d i p l e x e r s ，s e n s o r s ，s w i t c h e s ，a n dm o d u l a t o r sc a n b ep r o p o s e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h eo p t i c a le h i m l w a v e g u i d ec o m p o n e n t sa n dc h i m lm a t e r i a l sw e r es t u d i e d i ne x p e r i m e n t ，as e r i e sr e s e a r c hh a v eb e e ni m p l e m e n t e da sf o l l o w i n g ： t h ec h i r a lm o l e c u l eg l u c o s ea n dg r i s e o f u l v i nw e r ef i r s t l yi n c o r p o r a t e di ns o l - g e ld e r i v e dm a t e r i a l s c o n t a i n i n gs i 0 2 i tw a gd i s c o v e r e dt h a tt h es i m i l a rb e h a v i o r so fo p t i c a la c t i v i t yf o rt h ec h i r a lm o l e c u l e si n s o l u t i o n sw e r eh e l di ns o l i dg e l s c h i r a lm o l e c u l e sg r i s e o f u l v i nw e r ed i s s e m i n a t e di np o l ym e t h y lm e t a h c r y l a t e ( p m m a ) ，t h es i m i l a r r e s u l sw e r eo b t a i n e d t h e i ri n f r a r e ds p e c t r u mp r o p e r t i e sh a sb e e nm e a s u r e db yf o u r i e rt r a n s f o r m a t i o n i n f r a r e ds p e c t r o m e t e r s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ed h r a lm o l e c u l e sf i l l e di n t ot h ep o r e so ft h en e t w o r k s t r u c t u r e si nt h eg e l ，w h i c hh a r d l yl i n k e dw i t ht h eh o s t s o l - g e lg l a s sc o n t a i n i n gc h i r a lm i c r o c r y s t a lh a d b e e nm a n u f a c t u r e ds u c c e s s f u l l y i tw a sd i s c o v e r e dt h a t s o i 噜e lg l a s sc o n t a i n i n ge h i r a lm i c r o - c r y s t a ld i s p l a y e di t sd e p o l a r i z a t i o ne f f e c t w er e p l a c e dt h ec h i r a lm i c r o c r y s t a lb yg l a s sp o w d e ra n dm a n u f a c t u r e dt h es o l - g e lg l a s sc o n t a i n i n gg l a s sp o w d e rb yt h es a m ew a y i tw a s d i s c o v e r e dt h a tt h es o l - g e lg l a s sc o n t a i n i n g g l a s sp o w d e rd i s p l a y e di t sp o l a r i z a t i o n h e l d i n gc h a r a c t e r c r y s t a l so fs o d i u mc h l o r a t ew e r eg r o w nf r o mw a t e rs o l u t i o nb ys t a n d a r dr o c k i n gt e c h n i q u e s t h e t r a n s p a r e n tc h i r a lm a t e r i a lc o n t a i n i n gs o d i u mc h l o r a t ew a ss u c c e s s f u l l ym a n u f a c t u r e db ys o l g e lp r o c e s s i t w a sf i r s t l yp r o v e nb yo u re x p e r i m e n tt h a tt h ec i r c u l a rd i c h r o i s m ( c d ) ，u vs p e c t r u ma n do p t i c a lr o t a t o r y d i s p e r s i o no f c r y s t a ln a c l 0 3w e r ei s o t r o p i e t h e y a r en o ta ss m t i ea st h o s eo f q u a r t z as o l i dc h i r a l c i r c u l a r w a v e g u i d eh a db e e nm a n u f a c t u r e ds u c c e s s f u l l y a f t e rt h e e x p e r i m e n t a l m v e s t i g a t i o no fi t sp o l a r i t yr e s p o n s e ，i ti sf o u n d t h a ti t s p o l a r i z a t i o ns t a t ei sc h a n g e dw h e nc o m p a r i n gw i t h t h eb u l kc h i r a lm e d i u ma n dt h es o l i dc i r c u l a r w a v e g u i d e i no r d e rt ot e s tt h ec h a r a c t e r so ft h em a t e r i a la b o v e ，w ef a b r i c a t e das e r i e sa p p a r a t u ss u c h 鹊d e v i c e so f t e s t i n gp o l a r i z a t i o n ，o p t i c a lr o t a t o r yd i s p e r s i o ni n s t r u m e n tb a s e d0 1 1l e da n ds p e c t r u mi n s t r u m e n t t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h e y p o s s e s sh i g ha c c u r a c y ，g o o dr e p e t i t i o na n dc o n v e n i e n c e i nt h e o r y ，t w oa s p e c t sh a v eb e e nd o n ea sf o l l o w ： n l e s e m i l e a k ym o d e s i nd o u b l yc l a dc h i r a lo p t i c a lf i b e r sw h i c ht h ec o r e i n n e ra n do u t e rc l a d d i n ga r e c h i r a lm e d i ah a v eb e e n i n v e s t i g a t e d i tw a s d i s c o v e r e dt h a tt h ec h a r a c t e r i s t i c so f s e m i - l e a k ym o d e si nd o u b l y c l a dc h i r a lo p t i c a lf i b e r sa r ev e r yd i f f e r e n tf r o mt h o s ei n s i n g l ec l a dc h i m lo p t i c a lf i b e r s t h es e m i 1 e a k y m o d e sc a na l s oe x i s ti nt h es i n g l ec l a do p t i c a lf i b e rw h o s ec o r om a t e r i a li sa c h i r a la n dt h e c l a d d i n gm a t e r i a l i sc h i r a l t h ee f f e c t so f c h i r a l i t ya n dt h i c k n e s so fi n n e rc l a d d i n go nt h em o d a ld i s p e r s i o nh a db e e ns t u d i e d i t w a sd i s c o v e r e dt h a ti n t r o d u i n gc h i r a l i t yt ot h ec o r e i n n e ra n do u t e r c l a d d i n go f a no p t i c a lf i b e rc a n c h a n g e i t sm o d a ld i s p e r s i o nc h a r a c t e r i s t i c sd r a s t i c a l l y t h ed i s p e r s i o nc h a r a c t e r i s t i c sa r ev e r yd i f f e r e n te s p e c i a l l y u n d e rd i f f e r e n tt h i c k n e s so fi n n e r c l a d d i n g k e y w o r d s ：c h i r a lm a t e r i a l s ；s o l g e l ；o p t i c a lr o t a t i o n ；c i r c u l a rd i c h r o i s m ；i n f r a r e ds p e c t r u m ：o p t i c a l f i b e r s 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 摘要：本章简要阐述手性材料的基本概念及一些常见的特征，叙述几种合成手性材料的途径 再对手征波导器件的研究现状作了简述，最后介绍了本论文的主要工作。 1 1 手性材料的基本概念及特征 自然界里常能见到手性物质。手性( e h i r a l i t y ) 一词源于希腊词“手”( c h e 埘，指左 手与右手的差异特征。手性及手性物质只有两类：左手性和右手性。左手性用表示，右手 性用d 表示。左手( 性) 与右手( 性) 单靠平移和旋转不可能使两者完全重合，必须做镜 像操作才能重合，所以手性对称性也叫镜像对称性。可以设想一个便于理解的模拟实验：把 右手手背放在左手的手心上，无论怎么动右手，右手都不能和左手完全叠合：接下来，取一 面镜子，把左手放在镜子前。可以发现右手和镜中的左手可以完全叠合，把镜子中的左手叫 做左手的“镜像”。通过这个实验，可以发现左右手有奇特的属性，它们不能叠合却能互 为镜像。于是可以把左右手的这种特性叫做手性。结构复杂的有机分子有的也具有手性，人 们称它们为“手性分子”。构成手性关系的分子分别称对方为“对映体”。图1 及图3 是乳酸 分子左旋的平面或空间结构图，图2 及图4 是乳酸分子右旋的平面或空间结构图。在自然界 里，特别是在生物体中，手性化合物的两个对映体的存在量是不同的，有的仅以单一的对映 体存在，这就是所谓的手性择优( c h i r a lp r e f e r e n c e ) 。例如，构成蛋白质的氨基酸都是l 一氨基酸，而组成多糖和核酸的单糖则是d 一单糖。许多其他天然存在的手性小分子也主要 以对映体中的一种存在。手性择优是自然界的属性，但产生这种属性的确切机理、起源和过 程仍是个未解之迷，是当今科学研究的重要课题之。 h h o o 、h 图l _ 1 乳酸分子左旋平面结构图 h o o ? o h h 图1 2 乳酸分子右旋平面结构图 第一章绪论 图1 3 乳酸分子左旋空间结构图图1 4 乳酸分子右旋空间结构图 绝大多数手性介质最显著的光学性质是使通过它的偏振光的偏振面发生变化，即表现出 旋光性( o p t i c a la c t i v i t y ) 。需要指出的是，手征介质使通过它的电磁波偏振面发生旋转的 特性与法拉弟效应是不同的。虽然电磁波通过有外加稳定磁场的铁氧体时也发生偏振面旋转 现象( 即法拉弟效应) ，但两者之间有本质区别，因为偏振面旋转在手征介质中是互易的， 而在铁氧体中是非互易的，也就是说，手征介质中偏振面旋转与传播方向无关，而铁氧体中 偏振面旋转与传播方向有关。但是我们必须注意到，手性仅是导致旋光性的必要条件，并非 任何一种手性分子都会具有旋光性。比如烷烃类的5 一乙基一5 一丙基十一烷、5 一甲基十一 烷、4 一乙基癸烷和2 ，5 一二甲基癸烷，醇类的4 一甲基一l 一辛醇，酯类的l 一月桂酸一2 ， 3 一二软酯酸甘油酪，等等，它们的结构都是手性的，但它们都没有旋光性“1 。螺旋结构才 是导致旋光性的根本原因”1 。在光学中，旋光机理的螺旋模型中的螺旋是人为假设的，但其 理论分析和推断是合理的。该模型认为：当平面偏振光穿过光学活性分子时，分子本身和分 子中的原子因质量较大，它们不可能随光的电磁场的迅速振动而振动。分子中的价电子质量 很小，它们可以随光波电磁场的迅速振动而振动。如果这种撮动被迫沿着某种螺旋线进行时， 就会沿着螺旋线产生迅速变化的诱导偶极矩，于是便导致了旋光的产生“1 。 在研究手性介质的非线性光学响应方面，理论和实验都取得了比较大的进展。h j s i m o n 和n b l o e m b e r g e n 对一类具有光学活性的立方晶体氯酸钠和溴酸钠晶体的二次谐波 进行了测试并与n 一石英比较，测出了它们的二次谐波系数，同时研究了其压电特性”。 p e t e r a l l i - m a l l o w 等人发现：不同的圆偏振光入射到吸附在气液表面上的手性二奈酚 ( b i n a p h t h 0 1 ) 分子上，产生的二次谐波的效率是不一样的”1 1 。m a k i 和p e r s o o n s 等人做了很 多工作，他们用螺旋结构的聚胩( p o l y i s o c y a n i d e ) l b 膜、职膜及水汽界面含缩氨酸分子等 材料做了二次谐波实验。测量了一些非线性光学响应项。1 。李俊庆等用2 一扫描技术研究了各 向异性手陛介质( 聚脂酰亚胺吡啶溶液) 对于左、右圆偏振光的非线性圆般折射，得到在低 浙江大学博士学位论文 光强下非线性旋光角的变化规律，验证了非线性圆双折射与非线性旋光的关系”。 在理论方面，d o n g f e n gx u e 和si y u a nz h a n g 在l e v i n e 模型的基础上，采用将复合晶 体分解成单键的方法，以光学活性为出发点，把氯酸钠和溴酸钠晶体的二次谐波与它们各自 的化学键结构联系了起来，并可用于研究其它晶体的光学活性及非线性现象”“。郑仰东等用 经典理论的方法研究了耦合双振子型手性介质的和频问题给出了和频情况下分子极化率的 袭达式，并通过微观极化与宏观极化的关系研究了各向同性介质的宏观极化率，讨论分析了 适合于耦台双振予模型的手性介质分子的微观参量对线性极化、二阶非线性极化以及和频产 生效率的影响“。”1 。 起先大多数人都以为l i n d m a n 是第一个进行电磁手征实验的人【l ”。但实际上，印度科 学家b o s e 大约在1 8 9 7 年就首次进行了在厘米和毫米波段的关于光活性的著名的实验【l5 ， 用手性结构来模拟光活性。1 9 2 0 年l i n d m a n 从实验上发现了手征材料在微波段也有电磁活 性，他测量了线极化平面电磁波通过手征材料后极化面的旋转，后来在1 9 5 6 年，w i n k l e r f ”】 用铜丝绕成许多螺旋状的小弹簧，测定了线偏振波通过这个盒子后偏转的角度，1 9 5 7 年 t i n o c o 【i ”测量了电磁波通过时偏振面的旋转，确证了手征材料在微波段也有电磁活性。 1 9 7 9 年，j a g g a r d 。1 等人以简单的模型为基础，推导出了描述手征性质的本构关系，此 后在高分子科学取得的进展和人工介质的制造，可以较方便地产生微波和毫米波段的手征介 质，因此许多有关电磁波在手征介质中传播的理论和实验研究不断涌现。美国p e n n s y l v a n i a 州立大学电子计算工程专业的l j a g g a r d 和e n g h e t a 提出观点认为“”1 ：可以根据电磁波的 手性来合成在吸波及隐身方面有应用价值的手性吸波材料。在雷达识别、反向散射问题中， 目标的位置和形状可以从目标边缘反射或散射波的信息中获得，这些边缘的边界条件可看作 变化的不连续的电磁参量。如果反射波和散射波能够很明显的减少，目标的边缘形状就探测 不到了，达到了隐曳的目的。传统的材料中为了减少反射波，必须满足适当的阻抗匹配条件， 否则无法实现隐身。手性吸波材料具有克服这些缺点的潜力。目前，人们在实验上主要采用 环氧树脂，通过改变介质中手性旋波体的几何尺寸来改变手性旋波介质材料的性能。为探索 不同螺旋体浓度对旋波介质吸波性能的影响，华中理工大学物理系的潘华锦等人以石蜡为基 体，以铜线金属小螺旋为手性螺旋体，通过改变螺旋体在手性旋波介质中的体积比，制备了 不同浓度的手性介质。利用空间测量方法，测量了它们的反射系数、椭偏角、椭偏率，通过 这些测量，利用已有的测量原理，可推导得到手性介质的电磁参量、u 及手性参量e 。 实验结果表明，改变手性旋波介质中螺旋体浓度可以调节旋波介质的吸波性能，测量结果与 国外用微波网络分析仪所测结果相比符合较好”“。 第一章绪论 1 2 手性物质的合成途径 近年来，随着科学技术的发展，许多人将重点转向如何更有效地模拟自然，选择性地台 成自然界中存在的那些具有特殊活性的物质，设计并合成具有新的特殊活性的物质，其中一 个极为重要的和富有活力的领域就是手性物质的合成，简称手性合成。随着手性合成研究的 深入，新型的高效手性催化剂也层出不穷。瑞典皇家科学院于2 0 0 1 年1 0 月1 0 日将本年度 的诺贝尔化学奖授予了3 位科学家他们分别是美国的w i l l i a n s k n o w l e s 博士、日本的野 依良治教授及美国的k b a r r ys h a r p l e s s 教授。w i l l i a n s k n o w l e s 博士与日本的野依良治 教授由于在催化手性氢化反应“。8 1 的开创性工作分享了一半的奖金，k b a r r ys h a r p l e s s 教 授则对催化手性氧化反应”的发展作出的突出贡献而获得另一半奖金。这3 位科学家在催化 手性不对称合成领域所取得的原创性贡献和突破性成就无论是对学术研究还是对新的医 药、材料的合成与发展都是极其重要的他们的成果已成功应用于许多药物比如抗生索、心 脏病药以及治疗帕金森综合症的药物的工业合成。此外，此项技术也用于生产调味剂、甜味 剂、杀虫剂以及其它生物活性物质。 合成光学活性化合物的常见方法一般可以分为四类。：( 1 ) 旋光拆分；( 2 ) 化学合成： ( 3 ) 使用手性辅助剂；( 4 ) 使用手性催化剂。在实际应用中，这四种方法中的任何一种都 有可能成为某一特定合成的最佳选择，它们各有其优缺点。虽然手性合成可以直接得到纯度 较高的光学纯物质，但其生产率普遍较低。相反。若采用恰当的手性拆分技术，就可以得到 较高产量的对映异构体。手性拆分技术主要分为五类。”：( 1 ) 直接结晶法；( 2 ) 化学拆分法； ( 3 ) 动力学拆分法；( 4 ) 色谱拆分法；( 5 ) 手性膜拆分法。其中，直接结晶法又可分为晶 体机械分离拆分法、手性溶剡结晶法和接种晶体析解法。化学拆分法又分为经典成盐拆分法、 包结拆分法和组合拆分法。动力学拆分法又分为酶法和化学法。色谱拆分法叉分为毛细管气 相色谱法、高效液相色谱法、超临界流体色谱法、毛细管电泳色谱法、胶带电动色谱法和模 拟移动床色谱法。手性膜拆分法由于具有低能耗、稳定性强、易于连续操作等优点，是大规 模进行手性拆分中比较有潜力的方法之一，常用的手性拆分的膜有支撑液膜和致密固膜。手 性拆分分子与手性分子之间的短程相互作用会形成非对映体的接触对，从而导致的立体选择 作用很难用传统实验方法进行研究，孙凯等人用高分子分离手性分子的计算机模拟对此类问 题进行了研究，具有一定的指导意义”。 l a nh o d g k i n s o n 等采用旋转基片沉积的方法研制出无机手性材料，他们制作了波长在 可见和近红外光谱区的法向柱形手征镀层，得到的新颖手征介质材料有双螺旋纳米结构，显 示出大的旋光性。在圆布拉格谐振处，它能够被控制在可见光和近红外波妊范围，材料趋向 于透过一种手性的圆偏振光。而反射另一种，从而可用以研制手性反射器、手性滤波器及圆 偏振检测器”。 4 浙江大学博士学位论文 1 3 手征波导器件研究 手性介质因其独特的旋光特性、圆二色性及非线性等光学特性正不断引起人们的关注 由此引发了进一步的手性光学器件的研究。通常波导元件是组成大多数器件的一个重要部 件，这些器件的功能特性依赖于波导中导模传导条件和传播特性。 1 - 3 1 复杂媒质的分类 要研究手征媒质及其波导的特征，首先必须了解复杂媒质的分类情况，j a k o n g 【2 9 1 在其 电磁波理论中，对双各向异性的本构关系进行了全面的概括，在张克潜、李德杰【捌著 的微波与光电子学中的电磁理论中也有很多关于本构关系的介绍，这里按照这两本书中 的内容，对复杂媒质的本构关系进行一些引述。 将物质介质抽象为所谓的本构关系，以描述各种不同介质对电磁波的影响特性。本构关 系描述了场量之间的函数依从关系。 最完整的本构关系可以写为 e 1 ) = p - e + l c 】h ， 、 b = m e + q c l i 叫 其中c 为真空中的光速，p 、q 、l 、m 都为3 x 3 矩阵，它们的元素称为本构参数。在 本构关系的定义中，本构矩阵l 、m 将电场和磁场联系起来。当l 、m 不同时为零时，此 物质是双各向异性的。当电场和磁场之间没有耦合，即l = m = o 时，此物质就是各向异性的， 进一步，如果p = e d ，q = ( 1 c a ) ，其中i 为3 x 3 的单位矩阵，此物质就是各向同性的。 将本构关系写成这种形式的原因是基于相对论的考虑，首先，场e 和c b ，以及c d 和h 都 可以在四维空间中组成一个单一张量，其次，这个本构关系是洛仑兹协变的。 方程( 1 - 1 ) 可改写成矩阵形式 抖c 圈 ( 1 - 2 ) 式中c 是一个6 x 6 的本构矩阵 c ：jp ! i ( 1 _ 3 ) l mq j 其量纲为导纳。 本构矩阵c 可以是时空坐标的函数，也可以是热力学和连续力学变量的函数或电磁场 强度的函数。根据c 的泛函的依赖性，可以把物质分为各种不同的种类： ( 1 ) 非均匀媒质，c 是空间坐标的函数： ( 2 ) 不稳定媒质，c 是时间的函数： ( 3 ) 时间色散媒质，c 是场的时间导数的函数i 第一章绪论 ( 4 ) 空间色散媒质，c 是场的空间导数的函数 ( 5 ) 非线性媒质，c 是电磁场强度的函数： 1 3 2 媒质参数和模型 在大多数处理手征器件的文章中，一般不考虑由手征材料特性引起的手征参数的频率依 赖性，也不考虑介质的介电常数和磁导率对手征参数的依赖。严格说来，两者都应该和频率 有关。但是手征介质的模型化和随之而来的为验证提出的模型的实验非常复杂。所以般 地，为了简化，手征性参数( 在d r u d e b o m f e d o r o v 符号中，是手征参数卢乘以角频率，而 角频率被认为是常数) 、介质的介电常数和磁导率都被认为在感兴趣的频率范围内是常数， 如果这个范围远离材料的共振，这个假定是合理的。应该指出，根据文献 3 1 】，手征介质的 右手和左手旋转性质不是绝对的，在哪个频率范围有效必须说明。 在前些年进行的一系列实验给出手征参数的僮( p o s t 符号中) ，对不同组成和浓度的手 征掺入物，频率在8 - 1 5 g h z ，为4 7 x 1 0 4 - 4 2 l 矿s 。( 详见文献【3 2 】) 。大体说来，这些是文 献中分析手征器件上时使用的值。需要更多附加的理论和实验工作以便把手征样品的介电常 数、磁导率和手征参数与手征掺入物如金属螺旋状体的多少和尺寸联系起来。这需要从螺旋 系统的电磁散射的估值和测量，这是困难的工作，但挑战是有回报的。 b a h r l 3 3 j 等提出了一种简单的近似理论模型，来计算由埋在有耗非手征基质材料中的小导 电螺旋体组成的人工手征材料的本构参数。模型简明地包括了螺旋共振和螺旋辐射的一阶效 应，近场损耗和相互耦食。计算出的数据与文献比较，定性符合。他们的研究表明，在螺旋 体的共振频率附近，有用的手征参数值能够达到但在螺旋体的共振频率以下，螺旋体的效 应显著减小。有很宽的带宽的抗反射镀层不太可能用单一的螺旋尺寸达到。但用几种不同尺 寸的螺旋体也许可以展宽带宽。这个模型可以用来估算本构参数，这种估计对过滤候选的设 计材料是很有用的。l u e b b e r s 【卅等的研究结论也类似：看来只有在手征物的共振频率附近， 手征参数才有能感知的值。 m a r i o t t e 4 q 等总结了与手征微结构和人造手征复合物有关的结果。对单螺旋体的后向 散射场理论和实验符合得很好。对这种物体的散射研究指出，它们有色散特性。对手征、 伪手征和非手征的结果迸行了比较。给出了不同的模型化方法，对各种不同的手征复合物的 有效性质进行了估计，计算结果和实验相比是非常令人满意的。他们还讨论了手征复合物的 潜在应用：手征雷达吸波材料。结论是：有效的手征对金属衬底的平板的反射系数没有影响。 但我们不能得出结论说手征对吸波材料没有意义。事实上，意义在于手征掺入物的形状影响 了介电常数和磁导率。 文献【3 7 - 4 i 】用各种模型来描述电磁波与人工手征媒质和双各向同性媒质的相互作用。一 个基本任务就是考虑基质的电磁性质和金属螺旋掺入物的手性米计算人工手征复合结构的 有效参数。第一种可能的方法是利用电磁积分方程。计算分立的微螺旋体的分布电流，找到 6 浙江大学博十学位论文 它的辐射场。这个方法的优点是它的精度，但即使在最简单的单螺旋体情况下，它也很复杂。 第二种可能的方法是用数学模型，把金属螺旋体作为直线导体和扁平环的结合。对入射波电 磁场中的分立螺旋体的极化率张量元素的近似计算是可能的。单位体积中取平均以屙，就可 以得到人工手征媒质的有效参数。这个方法的缺点是没有考虑螺旋体的螺距，因为螺旋是当 作扁平环考虑的。在文献 4 l 】中，s e m c h e n k o 等用材料的分子螺旋体模型，研究了电磁波与 人t 手征媒质相互作用，用这个模型对有效手征参数进行了估算，结果与实验数据相符。计 算了使得平均手征参数有最大值的螺旋体的螺距。这个模型的优点是考虑了螺旋体的所有几 何参数，包括螺距。l i n d e l l 4 2 4 3 等人讨论了包括手征材料在内的无耗和有耗双各向异性介质 的电磁参数的限制条件。s i h v o l a t “ 更进一步讨论了手征介质的电磁参数和手征参数的虚部 的跟制条件。 1 3 3 手征波导研究 手征波导按其外形结构可以分为平板手征波导和圆手征波导，而按边界封闭的类型又分 为具有金属边界封闭的金属波导和以介质为边界的开放的介质波导。9 4 年以前的手征波导器 件研究，参见文献 4 5 】。本节将主要对1 9 9 4 年以后国内外手征波导的研究现状进行介绍【“】。 1 3 , 3 1 平扳手征波导 首先，从手征波导中模式行为的物理特征看，文献 4 6 】证明了无论对非手征波导模式还 是手征波导模式，色散中同样的根特征是典型的，但是模式变形是所有手征波导模特有的 而这决定了色散曲线行为的复杂性质。手征波导模式具有下列典型的性质：极化和波类型之 间的联系，色散曲线交叉，当工作点沿色散曲线移动时，手征波导有传输波的偏振选择特征， 即只有在手征波导中有大的传播常数的右旋极化波才能存在。模式变形导致圆极化波的极化 选择，这一点与无限大手征媒质中是不同的。应用耦台模理论来分析手征波导，采用电磁场 分量用对应的空波导场分量来展开，可以得到传播常数和场分布。对手征波导，提出了两种 不同的公式，一种是用e 、h 展开h 7 一，另一种是用e 、b 展开 4 9 1 ，在文献 s o i l 0 ，对这两 种公式进行了讨论，文献【5 1 】又把它扩展到了部分填充的平行板手征波导。文献 5 2 5 3 】提出 了一种新型5 目络模型，分析了多层手征介质平板波导的色散特性，将均匀介质层中的左右旋 圆极化波等效为两条互相独立的传输线，并通过边界条件确定输入阻抗在界面两边的转移关 系再利用阻抗转移及横向谐振技术方便地求得该结构的本征值，这种方法不仅极大地简化 了分析过程，而且使得对手征介质中物理图像的认识更加清晰和深入，双层手征介质平板波 导的数值结果证明了这种网络方法的灵活性和有效性。文献 5 4 6 6 研究了平面手征介质波 导、金属衬底和镜像共轭平面手征介质波导以及圆手征介质波导的传播特性，给出了本征方 程，手征对截止频率、色散和场分布的影响，得到的结论是：芯和包层都是手征的平面和圆 手征介质波导- 本征波是椭圆偏振的，不存在纯的t e 或t m 波；有相同指数的两个模的 7 第一章绪论 色散曲线分岔，截止频率也分开：左旋和右旋椭圆偏振波是近似的正交模：手征介质在包层 的介质波导可以有单模区。文献 6 7 1 提出了一个基于转移矩阵方法的简单而系统的数值技术 来分析多层线性手征波导。解出每一层的m a x w e l l 方程，然后把所有结构层的顶面和底面处 的横向场联系起来。用这个关系和合适的横向阻抗矩阵，可以得到波导的色散关系。因为这 个技术主要是数值的，整个处理过程实际上与层数和材料的线性性质无关。除了正规模，作 者还给出了不同手征波导的漏模特性，在所有的分析情形和考虑的范围中，作者发现，手征 材料没有实质性地改变色散关系的定性行为，也就是说，手征材料对色散的影响与改变介电 常数和磁导率对色散的影响类似尽管它提供了另一个参数来控制波导的传输特性。文献 6 8 - 7 0 研究了手征平扳光波导中模式的色散特性，还研究了模式简并、准简并和极化转换， 发现模简并只是近似的，实际上，它们是准简并点。文献 7 1 】用与横向场的极化椭圆的椭圆 度有关的一对参数，给出了均匀各向同性手征芯的非对称平板波导中的模式解。文献 7 2 1 研 究了模正交关系和场结构。 由于波沿平行板或封闭圆手征波导的传播与波沿通过外加直流磁场横向磁化的铁氧体 材料填充的平行板或封闭圆波导的传播非常相似。对加直流磁场横向磁化的铁氧体，因为它 们具有沿直流磁场方向的反射对称性，8 9 够找到严格解。另一方面，波沿封闭矩形手征波导 的传播与波沿通过外加直流磁场纵向磁化的铁氧体材料填充的封闭矩形波导的传播也非常 相似。对于加直流磁场纵向磁化的铁氧体，因为缺乏垂直于直流磁场方向的反射对称性，使 得问题很复杂，不能找到严格解。有鉴于此，文献 7 3 7 5 1 研究了矩形手征波导电磁波的传播 和主模场解，还分析了矩形手征波导中的混合模，用差分方法和m u l l e r 求根法计算了模式 波数。为了确立数值方法的准确性引入了一个新的技巧：波导的零解和自由手征空间的本 征波数比较。证实了在矩形手征波导中存在复模。还讨论了另外一些显著特性如模式分叉和 低频效应。文献 7 6 7 7 1 用变分方法对理想导电壁的无耗矩形手征波导中传播的电磁波进行了 研究，传播系数由包含电场的横向分量和它们的横向导数的变分表示。给出的主模和第二个 模的传播系数的表达式非常简单可以进行器件的跟踪分析。变分结果与由其它方法得到的 结果一致。文献 7 8 7 9 1 研究了矩形手征波导中的矩形模式和并矢格林函数。 1 3 3 2 圆手征波导 在金属圆手征波导方面，文献 8 0 】以手征导纳和半径比作为参数，计算了手征棒或环形 部分加载圆手征波导的色散曲线。文献 8 1 】通过构建适当的椭圆柱形矢揖波函数。对椭圆手 征波导的本征值问题用公式严格地表示出来，针对填充无耗手征介质的波导，研究了手征对 传播常数的影响以及对由导电壁的有限导电性引起的衰减常数的影响。文献 8 2 1 研究了圆 手征波导中的复数功率利模耦合。证明了相同角向指数的模式在功率意义卜是不正交的。因 此，它们的复数功率是模式功率和耦合功率之和。文献 8 3 】分析了放在圆波导中的有耗手征 平板，用模匹配技术，只需要5 个本征模就可以得到收敛结果。色散特性的对称性允许简化 散射矩阵，减少了计算量文章中也给出了无耗情形结果，手征平板的反射和透射主要受手 8 浙江大学博上学位论文 征参数的实部影响，当然也受板的长度的影响。文献 8 4 8 5 】提出了一种新的实验方法，从圆 手征波导测量的散射参数可以导出手征材料的三个参数，文献 8 6 8 9 研究了内衬手征材料涂 层的圆柱形波导，外敷薄手征材料涂层的圆柱导体以及中间放置手征棒的圆波导的电磁波传 播特性，并做了实验来确定手征材料的参数。文献【9 0 9 l 】1 研究了包含一段有耗各向同性手 征棒的圆波导中手征棒截面的散射性质。讨论了手征对基模的极化状态( 电磁场旋转和椭圆 度) 的影响，并用实验加以证实。文献【9 2 研究了理想导电边界的圃手征波导中手征参数对 色散曲线的影响，画出了几个低阶混合模，包括主模的场图，并与非手征情形进行了比较。 文献 9 3 对任意横截面的金属壁手征柱形波导又进行了重新考虑。给出了正确的公式。研究 发现，对圆柱形金属壁手征波导，所有模的截止频率随手征参数的增加甄减小。文献 9 4 1 对 多层手征介质填充圆波导进行了分析。文献 9 5 j 研究了部分填充手征媒质的剧波导的截i e 频 率，计算结果表明材料的电磁参数和尺寸可以在很大的范围内调节传播模式的截止频率。文 献 9 6 】用数值计算方法研究了手征参数对椭圆手征波导中导模的色散曲线、截l e 波长等特性 的影响，结果发现在椭圆手征波导中不仅发生模式分岔，而且导模的第一个模式会随手征参 数的不同而不同。 在介质圆手征波导方面，文献 9 7 研究了两个相同的圆开放手征波导之间的耦合，同时 导出了耦合系数，给出了耦合系数随手征导纳、归一化频率、相对介电常数和归一化距离的 变化关系，结果发现耦合随手征或频率的变化出现峰值，随着手征导纳增加，这个峰值出现 的频率越来越低、带宽越来越低小而峰值越来越大，使得这种手征波导和介电波导相比有更 多的灵活性和优点。文献 9 8 研究了芯和包层有不同导纳的手征光纤中电磁波传播的模式特 性，导出了普遍的模式特征方程，对v = 0 的模式进行了数值求解，观察到对一定的v 参数， 随着芯中手征导纳的增加，传播模的个数减少，色散曲线的局部特性有起伏，对给定的手征 导纳，有一个相对介电常数的l 临界值，低于临界值，就不会有传播模出现。文献 9 9 1 还研究 了微波频段包层和芯填充不同手征材料的手征波导。文献 1 0 0 通过在径向引入等效传输线， 用等效传输线网络