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)驗驗證以來(lái)，由于其奇特的物理特性和重要的應用價(jià)值而受到了廣泛的關(guān)注。特異材料作為一種人工復合微結構材料，可通過(guò)調節結構單元的參數，實(shí)現任意調控電磁波的目的，如負折射,電磁隱身、超強荊合、共振隧穿、亞波長(cháng)成像等而這些物理現象通常是用正常材料無(wú)法實(shí)現的。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，由于其厚度遠小于工作波長(cháng)，因此被稱(chēng)為特異表面。Camass研究組通過(guò)對結構單元的精心設計，可實(shí)現波束傳播方向的任意調控，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化為表面波， S.Zhang研究組設計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)器件的應用研究。特異表面的這些物理特性的理論依據是人射電磁波與結構單元的共振機制，從而能夠在亞波長(cháng)尺度對人射電磁波進(jìn)行調制，實(shí)現對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構材料，不僅能夠實(shí)現負折射等奇特的物理現象，還具有體積小、加工簡(jiǎn)便、性能穩定的特點(diǎn)，在實(shí)際應用中具有巨大的發(fā)展潛力。

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

　　1普遍情況下的斯涅爾折射定律

　　根據天線(xiàn)理論，當電磁波照射到金屬結構上時(shí)，金屬內部的自由電子會(huì )受外界電場(chǎng)影響產(chǎn)生共振電磁場(chǎng)，該電磁場(chǎng)相對于人射電磁波有一定的相位延遲和響應效率。當金屬結構的尺寸小于響應波長(cháng)時(shí)，可近似看作金屬結構對人射電磁波進(jìn)行了振幅和相位調制。若將相位延遲或響應效率按照一定的規律排列，則可實(shí)現對光束傳播方向和波矢的定量調控。由于這種共振響應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)現波束的調控。

　　特異表面的結構單元對電磁場(chǎng)的響應特性與人射波的偏振、人射角等因素有關(guān)。對于圓偏振光而言，其垂直透射偏振的相位與結構單元的方位角有關(guān)，該相位被稱(chēng)為Berry相位。依據此理論設計了金屬環(huán)和金屬棒的組合結構單元:其中，金屬環(huán)的`半徑和寬度為:金屬棒的長(cháng)度和寬度改變過(guò)金屬棒的方位角可實(shí)現透射垂直偏振的相位變化量，且相位變化的正負受人射光的旋向控制。采用圓環(huán)結構，有助于減少各結構單元之間的藕合。

　　2透射電場(chǎng)分布情況分析

　　為了對比相位分布結構和人射光偏振態(tài)對透射波電場(chǎng)分布的調制規律，分別采用5個(gè)結構4個(gè)結構單元實(shí)現的相位延遲，采用不同的人射圓偏振光，分別觀(guān)察透射光的傳播方向和電場(chǎng)分布情況。

　　復合結構周期，當人射光為左旋圓偏振光(右旋圓偏振光)，改變結構單元的方位角，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，受特異表面內結構單元的相位調制，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結論

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

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