电磁特异介质的若干理论问题研究

【摘要】电磁特异介质是由人工原子组成的人工材料,在过去的十五年中,它不仅吸引了大量科学工作者的研究兴趣,也改变了人们之前对电磁波理论的一些理解。电磁特异介质的概念源自于负折射率材料,但是它却给人们搭建起了一个自由调控电磁波的宽广平台。本论文将从这里开始,在第一章第一节中简要地回顾早期人们对负折射材料和电磁特异介质的研究。之后,我们将详细地介绍电磁特异介质的基本组成单元“人工原子”。一些基本的微结构以及如何利用它们实现有趣的光学现象将会被叙述在第一章第二节中。因为如何将人工原子组成体材料是电磁特异介质中一个十分重要的因素,所以我们将在第一章第三节中讨论这个问题,我们称之为“宏观序”。为了更好地说明宏观序的概念,我们将主要介绍转换光学和人工表面这两个过去几年非常热的研究领域。更进一步,随着实验工艺的进步和样品的尺寸越来越小,量子效应会使得电磁特异介质的光学性质明显地偏离经典理论的框架。这在过去两年引起了很多人的关注因为在这方面的理论和实验都还不是很成熟,所以我们将会在第一章第四节中介绍这个领域。我们将从如何利用电磁特异介质的单元结构(人工原子)对进行电磁波调控来开始我们的研究(第二章)。我们选择了使用电磁特异介质作为天线基板的体系来进行研究,首先理论上分析了该体系实现定向辐射的条件(第二章第二节)。随后我们发现对于天线和基板平行的情况,前人研究的体系能够被我们的理论很好地解释。而对于天线和基板垂直的情况,我们采用有限时域差分方法设计了符合实现定向辐射要求的电磁特异介质基板,并通过微波实验证实了其支持电磁波的定向辐射(第二章第三节)。·接下来,我们将关注如何利用电磁特异介质来实现光牵引力的研究(第三章)。对于手征粒子,我们发现了一个区别于以前米氏散射机理的新的实现光牵引力的机理。我们将解析上推导出时间平均的光力的表达式,并给出可以实现手征粒子的光学牵引力的条件(第三章第二节)。最后,我们将使用多重散射的方法来设计真实的手征粒子,并证实该体系确实存在光牵引力(第三章第三节)。进一步,我们将研究基于新型电子材料的电磁特异介质(第四章)。依据光学响应是否相同,我们建立起具有任意电子能带结构(比如,线性或者二次型)的平面(二维)导体与一层体(三维)材料之间的映射关系,从而发展了一套等价媒质方法用来研究由二维导体制成的电磁特异介质的光学性质,其中包含石墨烯体系(第四章第二节)。进一步,这个方法被用来研究各种基于石墨烯的电磁特异介质的光学性质,其中某个体系的计算结果(无拟合参数)与现有的实验结果吻合得很好(第四章第三、四节)最后,我们对全论文做总结并对未来的工作进行了展望。尽管本论文研究了电磁特异介质领域的一些理论问题,但是由于电磁特异介质的领域的复杂性和作者本身知识的局限,很难对整个领域有更深入的理解和研究。所以本论文的工作只是很浅显的工作,难免有疏漏之处,敬请指正。
【作者】丁鲲；
【导师】周磊；
【作者基本信息】复旦大学，理论物理，2013，博士
【关键词】电磁特异介质；定向辐射；反常反射位相；光自旋力；光学牵引力；石墨烯；等价媒质理论；

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