阻抗匹配介电超常材料实现任意相位变换及器件应用

摘要

超常材料是一种人工亚波长结构，因其拥有常规材料不具备的奇特的电磁特性成为研究热点。变换光学理论的提出为实现超常材料从相位、路径等方面灵活地操控电磁波提供了一个通用的方法和设计工具。利用超常材料可以设计出具有特殊电磁功能的新型光器件，如光束平移器、电磁场会聚器和偏振旋转器等。
　　基于有限嵌入坐标变换已提出的光分束器和偏折器，其功能的实现均依赖于不规整的器件外形，不易于集成。本文以变换光学为理论基础，提出了一种反变换方法作为设计工具，设计出平板变换介质即超常材料来操控电磁波相位，实现波前的任意变换、偏振分束。并将二维的相位变换扩展到三维坐标下，利用所设计的介质圆柱产生截面场分布可控的空心光束。具体开展的工作如下：
　　1.研究利用阻抗匹配平板变换介质操控相位变换实现偏折器和分束器。基于等光程原理，我们提出了反变换方法来获得外形平整的器件。根据空间变换，建立坐标映射关系，得到阻抗匹配非磁性偏折器的材料参数。在设计过程中,采用非线性的坐标变换来实现阻抗的匹配，保持色散关系不变获得非磁性的变换介质。在偏折器实现的基础上，对两正交的偏振态选择偏转不同的角度计算得到两组参数，将其结合到一块各向异性介质板实现偏振分束。所设计的介质板能有效的操控输出光束的相位和偏转方向，而不依赖于器件的外形。最后对所设计的器件进行了全波仿真验证。本文提出的这种方法也适用于设计在光频段具备全电介质、无损和宽带特点的器件。
　　2.研究基于三维相位变换，设计阻抗匹配的介质圆柱有效地将入射波前转换成任意波前，从而产生空心光束的方法。利用反变换法，建立3D相位变换关系，得到平面波前变换成偏折波前的材料参数。利用此电磁材料操控出射光束的相位，产生发散和会聚的截面场分布呈单环的空心光束。该阻抗匹配变换介质理论上是无反射的，有利于获得非常高的转换效率。在单环空心光束实现的基础上，将实现波前不同偏转的两组材料参数结合在同一介质圆柱，得到了截面能流呈现双环分布的空心光束，并用时域有限差分(finite-difference time-domain，FDTD)方法进行仿真分析。

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第1章 绪 论

1.1研究背景及意义

1.2研究现状

1.3本文的组织结构

第2章 变换光学基础理论

2.1引言

2.2变换光学理论

2.3正交坐标系下的坐标变换

2.4嵌入坐标变换法

2.5 FDTD仿真方法

2.6小结

第3章 利用阻抗匹配介电材料操控电磁波相位的研究

3.1引言

3.2利用阻抗匹配的非磁性介质板实现相位变换

3.3设计相位可控偏折器

3.4波前可控偏振分束器的研究

3.5小结

第4章 产生空心光束的3D相位变换器设计

4.1引言

4.2 3D相位变换器的设计

4.3基于相位变换器产生空心光束

4.4小结

结论

参考文献

附录A 攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢