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基于单向性效应和变换光学的电磁波调控研究

臧小飞  
【摘要】:小型化、集成化是光通信器件和子系统发展的必然趋势。然而,光子回路中因制备带来的缺陷所引起的信号反射和散射,严重阻碍了光子器件的大规模集成化。最近国际上开始关注这一问题,并利用时间反演对称破缺机制设计出信号隔离度高、散射免疫性强的非互易单向波导。但是,这些单向波导表现出结构复杂、制备困难等问题。本论文利用时间反演对称破缺机制,设计了一类结构简单的非互易单向波导。同时,对单向电磁模的温度稳定性、散射免疫性、外场可调谐性以及非线性可控性等电磁波单向调控问题进行深入的研究。 此外,伴随着超颖材料技术的发展,人们还可以实现电磁波的全空间调控:如电磁隐身、电磁黑洞、电磁波分束和耦合等。基于此,利用变换光学和超颖材料,本论文还深入研究了电磁超散射、超吸收、外部隐身衣、高定向性天线和电磁“穿墙术”等电磁波全空间调控问题。同时,我们还利用传输线人工介质制备了电磁“穿墙术”装置,并首次实验验证了其宽频特性。 本论文的完成受到了教育部科学技术研究重大项目培育基金和国家自然科学基金的资助。具体的研究内容如下:1.基于对称结构的磁性光子晶体单向波导研究 利用时间反演对称破缺机制,提出了一种新型非互易单向光子晶体波导,研究了单向边缘模的非互易调控特性。 1)设计了对称结构的非互易单向光子晶体波导,得到了在一对正反向磁场作用下不受散射体影响的单向边缘模。 2)研究了单向边缘模的时间反演现象:发现在外磁场方向改变时,系统的边缘模发生了时间反演现象。 3)讨论了非互易单向边缘模对温度变化的宽容性,其结果表明温度在233k-333k之间时,该单向边缘模几乎不受温度变化的影响。 2.光子带间非互易(单向)跃迁的非线性效应研究研究了非线性调制效应对光子带间非互易单向跃迁行为的影响。非线性两模方程的数值计算结果表明:当非线性效应很弱时,只影响光子非互易跃迁的周期,而当非线性效应很强时将发生部分的非互易跃迁或者不发生跃迁。 3.电磁波全空间调控中的电磁超散射和超吸收研究利用变换光学和折叠几何原理,研究了椭圆、偏心和无规则的电磁超散射和超吸收,并将电磁超散射应用于两段分离的波导连接。 4.电磁波全空间调控中的外部隐身和高定向性天线研究 1)基于变换光学结合补偿介质和移动介质,分别设计了两类外部隐身衣。其共同点是,被隐藏的物体可以看到外界,而外界却看不到被隐藏的物体。区别在于,补偿介质隐身衣需要“反”物质,而移动介质隐身衣不依赖于“反”物质。 2)利用补偿介质,设计了可移动的高定向性天线和可旋转的高定向性天线。同时,基于移动介质,研究了光学重叠效应以及天线信号放大器。 5.电磁场分布的全空间调控研究基于嵌入光学变换,研究了二维空间电磁场分布的全空间调控。 1)利用嵌入光学变换,研究了点源场分布在二维空间的压缩和拉伸调控。基于此,本论文设计了两类材料参数简单的层状无损耗连接器。同时,本论文还首次实验验证了二维宽频电磁“穿墙术”这一奇特的现象。 2)将二维空间中的点源场分布转化为平面波的场分布,并利用嵌入光学变换对转化为平面波的场分布进行空间线性和非线性移动调控。


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