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电磁超材料非线性特性理论研究

武立华  
【摘要】:电磁超材料(Metamaterials)是近几年提出的一种新型人工材料,其特征是其结构单元的尺寸远小于与其作用的电磁波的波长。非线性电磁超材料是电磁超材料的重要组成部分。若要实现电磁超材料材料特性的可控性,就必须对电磁超材料的非线性特性进行系统研究。本论文主要研究了嵌入在非线性介质中的由金属线和裂环谐振器构成的电磁超材料的非线性特性。创新工作如下: 计算了二维电磁超材料的有效介电常数对外场强度的非线性响应。推导了三维电磁超材料在有互感情况下有效磁导率的表达式,通过计算有效磁导率对外场强度的变化关系说明该结构非线性磁响应在有互感和无互感情况下的重大差异。在同时考虑介电常数的非线性特性情况下讨论了这种结构的属性在右手材料、电单负材料与磁单负材料之间转换,同时给出控制该结构属性的方法。 基于非线性电磁理论,推导了无耗非线性电磁超材料中的双光子吸收和受激拉曼散射过程的耦合波方程及Manley-Rowe关系。数值计算了双光子吸收过程和受激拉曼散射过程两束光的能量变化过程及其空间分布,以此为基础,讨论在电磁超材料中产生这两个三阶非线性效应的条件。 研究了在各向异性材料与电磁超材料界面上的非线性TE极化波。推导了非线性TE表面波传播常数的色散关系,计算了能流密度随入射波频率和强度的变化关系,讨论了前向波和后向波的存在条件,根据能流密度变化特点提出该界面在实际中的潜在应用。


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