基于四扇形超材料的电磁吸收特性研究(2)
1.1超材料的发展 2
1.2超材料的分类及原理 4
1.3超材料的相关应用 6
1.4超材料吸收器的发展 8
1.5本文的主要研究工作 11
2数值模拟方法 13
2.1 有限元方法 13
2.2 时域有限差分法 16
2.3 模拟软件的介绍 17
2.4 小结 18
3四扇环超材料吸收器的结构设计 19
3.1吸收器几何结构设计 19
3.2吸收器边界与激发场的设置 20
3.3小结 21
4数值模拟及讨论 22
4.1结构的吸收特性 22
4.2结构变化对吸收的影响 25
4.3小结 31
5吸收机理分析 32
5.1电场分布 32
5.2磁场分布 32
5.3能流分布 33
5.4小结 33
6总结与展望 34
参考文献 35
鸣谢 40
1绪论
1.1超材料的发展
超材料(Metamaterials)作为一种复合材料，代表了最近几年在对非常规材料和复杂介质的研究中所取得的成果。“超材料”一词最早是由研究复杂介质的科研团队所提出的[1,2],超材料是指一类具有奇异的的反常电磁特性的人工复合材料，这种特性无法在天然材料中获得。根据其定义，这一研究组用希腊词“meta”来描绘从由传统材料组合而成的复合结构中表现出的新特性。超材料能够在一些微波或者光学元件中突破种种限制。这一定义是国际上最公认的解释[3]。
最开始，科学家们研究电磁波和天然材料之间的相互作用，这些研究在以光学频段为代表的领域里发展迅速。事实上，在这些频段里，电磁波可以有效地与自然材料的结构成分相互产生影响。在这项研究中，研究者发现，由于分子结构的对称性，组成的材料会具有很多有趣的特性。其中的一个现象就是在当电磁波穿过具有光学特性的材料样品时，电磁波的极化方向发生了变化。这一现象通常被认为是材料具有旋光性，进而研究者们很快联想到一些有手性对称分子构成的特定材料。对此，其他还有一些有意思的现象被发现，例如在自然手性材料中一束线偏振光分解成为两束左旋和右旋的圆偏振光。在以对电磁波和自然材料间相互作用的研究为主导的第一阶段以后，研究者又将研究重点放在了将相同的现象延伸到低频区域。他们设想通过人工合成，将金属或是人工夹层合适地放置在电介质上。夹层具有与天然材料分子相同的作用，但它具有更大的尺寸，使得它与以长波长电磁波产生有效的相互作用。我们发现在这一研究阶段，研究者希望制造在微波频段具有改变电磁波极化特性的人工手性样品。有些样品已被制作使用，比如说分散在氧化树脂中的螺旋夹层的多项应用已被提出[4]。这种同样的状况不仅发生在人工手性材料上，同时也在许多普遍被称为复杂介质的材料上得以体现。在复杂人工材料中夹层与宿主电介质可以产生多种不同寻常的组合，这些组合可以引发新的特性，这些性质在天然光学材料中是未知的。例如，在2001年San Diego学校的Smith团队首次从实验上实现了一种具有负折射率的材料[5]，引起了科学界极大的反响。它的主要结构如图1.1所示，周期性单元的结构是正方形开口铜环与铜线条分别贴在玻璃纤文电路板两侧。这个结构同时具有负的介电常数和负的磁导率，它使得入射的微波以负角度偏转，从而在实验上验证了负折射率的存在。