基于多路径正反馈机制的零折射率超材料高效纳米激光器

对于传统的Fabry-Perot腔激光器,光子在增益介质中沿任意方向传播。在腔内,只有沿着腔的轴线来回震荡的光子,达到一定的阈值后可以产生激射效应。然而,对于入射方向偏离反射镜腔壁的光子将从腔中耗散出去,从而使得激射效率较低。为了解决上述激光器所面临的缺陷,利用等效折射率为负1的负折射材料和零折射率材料组成一个双层结构作为Fabry-Pérot腔壁。对于此腔,以不同路径入射于腔壁的光子,都可以重新汇聚到原子所在的位置。经过多次正反馈,最终以垂直于腔壁的方向辐射出去,避免了光子在偏离激射方向上的耗散。此外,该腔的聚焦效应与准直效应与原子位置无关。随后,通过二维光子晶体分别实现了由0与-1等效折射率光子晶体组成的反射壁,当在腔中引入增益材料时,可以观察到明显的激射行为。与单个零折射率材料构成的腔相比,该腔的阈值更低,发射强度更大,从而提高了激射的效率。

声学近零折射率材料的声波调控研究

基于分形曲线和空间卷曲的理念设计出一种声学超材料,具有小尺寸调控大波长的特点。利用等效参数法提取了该超材料的等效质量密度和体积模量,在特定的频率点处,这种声学超材料具有近零密度特性,可以实现声波的零相位差传播和能量无损耗传输。基于有限元法分析表明:在近零密度频率点处,该声学超材料可以实现特殊的声学现象如声隐身、声隧穿、波前整形和声异常透射。最后,测试了加工样品的透射系数,结果表明:试验数据与仿真计算结果符合较好,验证了结构的有效性,表明该声学超材料可以用于声学器件的设计。

基于零折射率介质的超窄带光学滤波器

本文提出一种基于零折射率介质的超窄带光学滤波器.在线缺陷光学滤波器中引入具有类狄拉克点的光学超构材料,利用其零折射效应来实现滤波带宽的压缩.基于COMSOL Multiphysics软件的传输特性分析表明,当超构材料的类狄拉克点频率与缺陷态的谐振频率相符合时,光学滤波器的透射峰能够显著压缩;光场分布及等效介质分析表明,零折射率介质的零相位延迟效应与强色散特性能够增强缺陷态透射电磁响应随频率变化的灵敏度,提高滤波器的品质因子,并能在压缩滤波带宽的同时保持高的峰值透射率,实现高耦合、超窄带的滤波设计.该结果为基于光学超构材料的波分复用系统设计与应用提供了新的技术思路.

加载零折射率电磁超材料的高增益透明玻璃天线

高面阻特性的透明氧化铟锡薄膜(Indium Tin Oxide,ITO)带来的欧姆损耗极大地影响了天线的辐射增益,为了改善应用在车联网系统中车辆玻璃表面共形天线的增益,采用零折射率超材料覆层与透明天线平行组合,天线与覆层之间的支撑体采用聚酯层板,可以保持整体高透明度和聚束效果。仿真与实测的研究结果表明,该天线能够覆盖2.4 GHz的ISM频段、5G-n77/n78以及C-V2X频段,在3.4 GHz处实现了3.23 dB的增益提升,半功率波束角分别在yoz面和xoz面上减少了17.2°和27.4°,克服了透明导电材料带来的损耗问题。利用微波暗室与矢量网络分析仪进行实物测试,结果表明实测与仿真结果匹配良好,总体设计可用于车载自适应网络通信系统。

近零折射率材料的古斯汉欣位移的特性研究

古斯汉欣位移是一种特殊的光学现象,由于纳米光学的不断普及,古斯汉欣位移成为了一个极其有价值的研究.本文采用以硅为介质柱周期排列的正方形的光子晶体,采用时域有限差分方法,研究了波长以及温度对于近零折射率材料中的古斯汉欣位移的影响.研究表明,波长对于古斯汉欣位移的影响非常大,而温度对于古斯汉欣位移的影响比较小.

零折射率超材料对喇叭天线波前相位的改善

为改善喇叭天线波前相位,获得更高的增益,提出一种3层金属网格零折射率超材料结构,将其加载到喇叭天线口径上。理论分析和提取的等效折射率表明,在7.1 GHz附近,该结构的电磁波的频率接近等离子体频率,从而使得其等效折射率接近于零,并通过劈尖仿真验证了这一零折射零的特性。当其作为喇叭天线的覆层时,喇叭天线的波前相位由球面波被调制为均匀平面波,方向图波束角变窄、旁瓣降低,并且增益提高2.6 dB。这种零折射率超材料结构调制喇叭天线波前相位的作用,为改善喇叭天线的波前相位从而实现更高增益提供一种思路,有一定的应用前景。

基于蜷曲空间结构的近零折射率声聚焦透镜

研究基于蜷曲空间结构的近零折射率声聚焦透镜.根据近零折射率材料的声波方向选择机理,采用蜷曲空间结构为基本单元进行排列,设计具有特定入射与出射界面的几何结构,对透射声波的出射方向进行调控,实现了平面声波与柱面声波的聚焦效应,并深入讨论了透镜内部刚性散射体对声聚焦性能的影响.在此基础上,改变近零折射率透镜的出射界面,可以精确调控声波阵面的形状与方向.该类型透镜具有单一的单元结构、高聚焦性能及高鲁棒性等优点.研究结果为设计新型近零折射率声聚焦透镜提供了理论指导与实验参考,同时也为研究声波阵面的调控提供了新思路.

基于磁流体光子晶体的可调谐近似零折射率研究

基于典型水基Fe_3O_4磁流体,建立了工作频率可调的近似零折射率磁流体光子晶体的理论模型.这种近似零折射率材料具有与自由空间阻抗相匹配的优点,更重要的是其工作频率可由外磁场的大小来调节.在满足等效折射率的绝对值小于0.05的条件下,材料的归一化工作频率可由0.716变化到0.750.

基于零折射超材料的双频高增益微带天线

基于双面对称单环开口谐振器对结构奇异的电磁特性,设计了一种频率可控的各向异性零折射超材料。将这种零折射超材料应用于普通双频微带天线,制备了中心频率为5.15GHz和6.8GHz的零折射双频微带天线。仿真和测试结果显示,由于零折射超材料的引入,天线的侧向辐射减弱,方向性增强。在低频工作时,零折射微带天线E面和H面半功率波束宽度分别减小了29°和10°,增益提高了2.2 dB。在高频工作时,零折射微带天线E面和H面半功率波束宽度均减小了16°,增益提高了2.4 dB。将零折射超材料应用于微带天线的介质基板,为高性能双频微带天线设计提供了有效途径。

基于零折射率超材料的新型匹配高增益贴片天线

针对基于零折射率超材料的矩形贴片天线的快速设计,提出了应用微遗传算法的自动优化方案,建立了利用Visual Basic语言编程调用时域有限差分方法对该天线的参数进行自动优化的计算机仿真程序,并成功计算出了优化的参数数据。采用优化数据加工制作了天线实物并进行了测量,仿真和实测结果吻合良好,零折射率材料对矩形贴片天线增益提升超过10 dB,实现了最高16.2 dBi的增益,并且在11.7 GHz到12.6 GHz的频带范围内阻抗匹配良好,证明了该方案的有效性和可靠性。

零折射率手征包层光纤中导模的奇异特性

对零折射率手征介质(介电常量和磁导率同时等于零的手征介质)作为包层的光纤中模式的奇异特性进行了理论研究.给出了导模的电磁场分布公式,推导出导模色散方程和功率的数学表达式,通过数值计算,给出了不同手征参量情形下的色散曲线,讨论了手征参量对归一化功率的影响,发现了导模的一些奇异特性,如存在表面波模、基模单模区,出现传播常量双值、模式交叉、功率储存现象等,特别是出现了纤芯和包层中的功率都为负值的完全后向波奇异模式.

基于零折射率超材料的高定向性微带天线

研究了一种基于平面网格状零折射率超材料的高定向性微带天线。利用超材料结构的平均效应实现了在10.24 GHz处介电常数为零,进而实现了超材料的折射率为零。实验结果表明,利用零折射率超材料对波束产生汇聚作用,使微带天线的定向性明显增强,E面、H面半功率波束宽度分别收缩了56.67°和26.60°,侧向辐射明显减弱,天线的增益提高了3.80 dB。

零折射率超材料中嵌入椭圆介质柱的传输特性

对零折射率超材料中嵌入椭圆型介质柱的传输特性进行了理论研究.推导了平板金属波导中零折射率超材料夹层内嵌入椭圆型介质柱的传输系数,得到全透射和全反射的条件.通过数值计算和软件COMSOL仿真结果的对照,验证了计算结果的正确性.在此基础上,分析了发生全透射与全反射时各区域的电磁场特征及与参数的依存关系.另外,对椭圆介质柱内发生的谐振现象以及椭圆介质环内出现的回音壁模进行了讨论.其结论对于设计新型超电磁材料折射率传感器、聚能器及电磁开关等方面的应用具有重要的理论指导意义.

零折射率超材料加载WGM介质环的传输特性

本文对零折射率超材料中加载WGM介质环的传输特性进行了理论分析.基于二维场问题,通过理论计算植入零折射率超材料中的介质环所产生的WGM的谐振频率,得出发生全反射的条件,并分析了特定模式下的传输特性.同时,讨论了磁导率μx→0的超材料中WGM对传输系数的影响,得到全透射的效果.通过用COMSOL对理论模型进行仿真,验证了其正确性.本文的结论在电磁传感器、聚能及其隐身等方面有着重要的应用价值.

近零折射率超材料波导加载系统中数理方程的求解及COMSOL仿真

近零折射率超材料波导中加载介质缺陷的电磁波传输特性的分析归结为"数学物理方法"中亥姆霍兹方程非齐次边值问题的求解,可采用多种求解偏微分方程的方法进行分析.本文用分离变量法对这一问题的两个典型实例进行了解析求解,并通过基于有限元法的多物理场耦合仿真软件COMSOL Multiphysics进一步对照,从而验证了理论分析的正确性.对更一般的问题采用COMSOL进行了数值计算和仿真,其适用性更为普遍.

零折射率超材料研究进展

近年来,具有自然界中天然媒质所不具备的特殊性质的电磁超材料在很多领域引起了广泛关注。零折射率超材料(ZRIM)是一种相对介电常数和磁导率为零的特征材料,在光学领域具有很多独特的特征,主要表现在波长拉伸、相位一致以及隧道效应等方面。介绍了几种典型的ZRIM结构以及ZRIM结构中实现的性质,包括无限大波长、均匀场分布等。讨论了ZRIM结构的实现在物理光学中的重要应用,比如定向发射、发射增强、边界态分析以及光的捕获。基于零折射率的性质以及特征的研究,为新器件开发、新光学元件的基础研究提供了相应的参考和指导。

复合方形环近零折射率超材料的高增益特性研究

设计了一种由4个方形环和4个金属片组成的复合方形环单元结构,并将其周期排列,形成了近零折射率超材料。该超材料的近零频段为6.17 GHz到6.26 GHz。将其置放在微带贴片天线正上方处,采用有限元法(FEM)和时域有限差分法(FDTD)对该超材料测试系统进行了仿真分析,两种方法的仿真结果吻合较好,证实了计算方法结果的有效性。结果表明,复合方形环近零折射率超材料有高增益高定向的特性,可以应用于天线中,提高增益。

密度为零的零折射率声学超材料研究

以普通波导管内部嵌入弹性薄膜为基本单元结构,构造了零折射率声学超材料.研究表明,在频率为fm=453.64Hz时能实现等效质量密度为零的零折射率超材料.在零折射率超材料两端接上截面积较大的普通波导管构造了复合零折射率超材料,利用声传输线理论和声阻抗匹配理论,分析了该复合超材料中能量传输和轴向声压分布情况.理论和仿真结果表明:尽管在零折射率超材料与普通波导管之间存在极大的几何不匹配,系统在输入声波频率为fm和Fabry-Pérot(FP)共振频率时能实现声波完全传输,且在频率fm处具有相位超耦合和传输增强等特性.除此之外,当改变复合超材料中零折射率超材料的长度D和弯曲角度θ时,发现其在频率为fm时所具有的特性不变,而FP共振频率的大小会随零折射率超材料长度的变化而改变.

盘绕型声学超构材料的近零折射率特性研究

近零折射率材料是一类等效质量密度和等效体模量的倒数同时趋于零或者其中之一趋于零的声学超构材料,在近零折射率声学超构材料中声波会表现出声速无穷大、高效声传输等特性,这些特性为声波调控带来了一些独特的应用.以圆形盘绕型结构为基本单元,该基本单元通过对空间的卷曲和盘绕,大大增加了声波在单元中的传播路径.通过对单个圆形盘绕型基本单元的等效参数进行计算,得到基本单元近零折射率特性所对应的频率点,以具有此近零折射率特性的结构为基本单元来构造声学超构材料.通过利用超构材料对刚性散射体进行不同方式的包裹以实现声隐身效应.此外,利用该基本单元对不同形状的弯曲波导管进行填充实现了声波隧穿效应.

单负超透镜零折射性质的数值模拟验证

为了验证单负材料的零折射理论,设计了一个简单装置.先利用金属表面等离子体的反常透射特性使金属缝成为一个二维点光源,再放置一个单负薄膜作为超透镜来观察透射图像.时域有限差分方法的模拟结果与零折射理论的预期一致,从而给出了一个直观的零折射例证.