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异向介质的理论研究

严巍  
【摘要】: 异向介质一种新型的电磁材料,其介电常数和磁导率同时为负,最近几年引起电磁学界诸多研究者的兴趣。电磁波在异向介质中传播会有很多特殊有趣的现象产生,如波的相位方向和功率流方向相反,负折射,倏逝波放大等等。本论文从电磁理论出发,对与异向介质有关的一些理论问题进行探讨,包括以下内容: 1.详细讨论各向同性介质和各向异性异向介质分界面上表面波的特性。各向同性分四种情况进行讨论:(1)ε_1>0,μ_1>0;(2)ε_1<0,μ_1<0;(3)ε_1>0,μ_1<0;(4)ε_1<0,μ_1>0。推导出表面波存在的精确条件,从而深刻理解了各向异性异向介质与表面波存在的关系。对表面波的功率流性质进行了详细讨论,从而掌握了表面波的物理特性。 2.对由互相平行的普通介质波导和异向介质波导组成的耦合系统进行研究。建立起对此耦合系统适用的耦合模方程。从耦合模方程出发,探讨耦合系统的特性,发现一些在普通耦合系统中不会出现的特殊现象。当异向介质波导所导波的模式为反向波且其传播常数与普通波导所导波的传播常数相近时,系统出现一组新型的耦合解为耦合长度的单调函数,因而耦合系统对耦合长度不敏感。此时系统是反向耦合输出,且耦合效率在耦合长度足够长情况下达到100%。。当两个波导各自所导模式的传播常数相差一定程度时,耦合模解变为耦合长度的周期函数。另外,通过耦合模理论对耦合系统的导波模式也做出了详细研究。 3.设计出一种新型的开放式谐振器,此谐振器由一对平行的普通介质波导和异向介质波导加上一个各向异性的平板组成。从耦合模理论出发,给出了谐振器的精确设计公式。谐振器的物理机制是结构中形成的功率流环使波局域化起来,从而可以储存能量。发现在谐振器的中心位置能量密度最大,并向两边逐渐减少。通过FDTD模拟波在此结构中的行为,证实了理论的正确性,并发现当波导长度足够大,谐振器的品质因子可达到很高。


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