基于负折射率材料的超级透镜成像研究

论文摘要

负折射率人工电磁材料是指介电常数和磁导率分别或者同时为负的一类特殊人工电磁材料,是目前物理学和电磁学领域一个新型的研究热点。目前比较常见的负折射率材料有三种:介电常数和磁导率同时为负的材料;只有介电常数为负的材料;只有磁导率为负的材料。本文以只有介电常数为负的材料为研究重点,阐述了这种人工电磁材料的性质和分析方法,并分析了负折射率材料的电磁响应特性,重点研究了金属棒阵列结构的亚波长成像、负折射以及虚成像机理。本论文主要的工作内容包括以下几点:首先完善了利用周期金属细线实现负折射材料的精确物理模型:重点讲述通过改变周期金属线排列情况、周期晶格常数、金属细线半径以及金属细线横截面面积等调节金属纳米细线阵列负折射和虚成像的质量。在这一过程中考虑了均匀等效介质理论,利用了当入射电磁波远远大于周期单元尺寸时,其可以等效为均匀介质。通过仿真得出金属纳米细线阵列微小变化对其负折射和虚成像的影响规律,及周期金属细线排列不同、周期晶格常数不同和金属细线半径不同,（也就是其填充率不同时）,对这种材料的负折射和虚成像的质量有影响。而当只有横截面形状发生变化时,其负折射和虚成像的质量几乎不受影响,并利用FDTD-solutions软件模拟仿真验证;其次,分析了金属细线阵列结构的亚波长成像机理,并模拟仿真了这种周期金属细线在微波波段、THz波段以及光波波段的亚波长近场成像。此外,我们还分析了电磁波在负折射率材料中的传播特性以及“完美成像”机理。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 负折射率材料的研究背景
• 1.2.1 Metamaterials 的定义
• 1.2.2 Metamaterials 的分类
• 1.2.3 Metamaterials 的实验制备方法
• 1.3 Metamaterials 的成像特性的研究进展
• 1.4 论文主要工作
• 第二章 Metamaterials 的理论基础
• 2.1 电磁波在Metamaterials 中的传播特性
• 2.1.1 电磁波在介电常数ε和磁导率μ均为负的介质中的传播特性
• 2.1.2 Metamaterials 的色散特性
• 2.1.3 Metamaterials 的负折射特性
• 2.1.4 Metamaterials 的其他特性
• 2.2 完美成像理论
• 2.2.1 J.B.Pendry 的成像理论
• 2.2.2 J.B.Pendry 的模拟结果
• 2.3 数值计算方法
• 2.3.1 FDTD 数值方法
• 2.3.2 FEM 数值方法
• 2.4 本章小结
• 第三章 金属棒阵列结构的亚波长成像
• 3.1 研究背景
• 3.2 金属棒周期结构材料中的成像机理
• 3.3 在THz 波段和微波波段的近场成像
• 3.3.1 微波波段实现近场成像
• 3.3.2 THz 波段实现近场成像
• 3.4 在光波波段实现近场成像
• 3.5 本章小结
• 第四章 Metamaterials 的超透镜特性研究
• 4.1 研究背景
• 4.2 均匀介质理论
• 4.3 纳米金属细线材料的成像特性研究
• 4.3.1 不同排列方式的模拟仿真及结果分析
• 4.3.2 不同周期晶格常数的模拟仿真及结果分析
• 4.3.3 不同半径的模拟仿真及结果分析
• 4.3.4 不同横截面形状的模拟仿真及结果分析
• 4.4 本章总结
• 第五章 总结
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果