电磁波在双轴各向异性介质中传播特性的研究

摘要

由于电磁超材料能够定制出自然界中物质所没有的电磁特性，随着它逐渐从实验室走进人们的日常生活，电磁超材料的应用前景日益广阔。本文选择了电磁超材料的一般模型——双轴各向异性介质作为研究对象，较为全面的研究了电磁波在双轴各向异性介质中的基本传播特性以及特殊的物理现象;在此基础上设计了一种基于双轴各向异性介质的分波器。本文具体的工作是:
　　首先，研究了电磁波在双轴各向异性介质中传播的基本特性。利用kDB系统分析方法得到麦克斯韦方程组在kDB坐标系中的表达形式后，对双轴各向异性介质的色散关系一般式作了推导，得到了双轴各向异性介质的两种特征波——TE波和TM波的色散关系和传播条件，为之后的研究奠定基础。
　　其次，研究了电磁波在双轴各向异性介质表面的传播特性。针对双轴各向异性介质与各向同性介质的单一分界面，分别推导了TE波和TM波在双轴各向异性介质中传播时的反射系数与透射系数;同时对TE波和TM波从各向同性介质入射到双轴各向异性介质表面时发生的全反射现象进行了研究;讨论了全反射现象发生的条件，并针对理论推导进行仿真验证。
　　第三，在全反射现象的基础上，研究了电磁波在介质的分界面处发生全反射时产生的Goos-H(a)nchen效应与Imbert-Fedorov效应。推导了双轴各向异性介质与各向同性介质有单一分界面时的Goos-H(a)nchen侧向位移和Imbert-Fedorov横向位移的一般表达式;同时分析了两种位移随入射角、介质的手性、电磁波的旋向的变化趋势。
　　第四，研究了电磁波在双轴各向异性介质表面的全透射现象。针对双轴各向异性介质与各向同性介质的单一分界面，分别讨论了TE波和TM波发生全透射现象需要满足的条件，并针对理论推导进行了仿真验证。
　　最后，研究了电磁波在双轴各向异性介质平板中的基本传播性质。针对双轴各向异性介质与各向同性介质的双分界面，依据麦克斯韦方程组与边界条件，推导了双轴各向异性介质与各向同性介质有双界面时的反射系数与透射系数;分别得到了双轴各向异性介质平板中TE波与TM波的导行条件;在此基础上，设计了一种基于双轴各向异性介质的分波器，这种分波器结构简单、参数取值范围宽泛，对入射角度和介质手性的要求也比较低，分波结果均得到仿真验证。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 课题的研究背景

1．2 国内外研究现状

1．3 本文主要研究内容

2 电磁波在双轴各向异性介质中的基本传播特性

2．1 双轴各向异性介质的本构关系与色散关系

2．1．1 kDB坐标系与kDB坐标系中的麦克斯韦方程

2．1．2 双轴各向异性介质的色散关系

2．2 双轴各向异性介质的特征波及其传播条件

2．2．1 特征波Ⅰ(TE波)及其传播条件

2．2．2 特征波Ⅱ(TM波)及其传播条件

2．3 本章小结

3 电磁波在双轴各向异性介质表面的全反射现象

3．1 TE波的全反射现象

3．1．1 TE波的反射与透射性质

3．1．2 TE波发生全反射现象的条件

3．1．3 TE波全反射现象的仿真验证

3．2 TM波的全反射现象

3．2．1 TM波的反射与透射性质

3．2．2 TM波发生全反射现象的条件

3．2．3 TM波全反射现象的仿真验证

3．3 本章小结

4 特殊的物理现象

4．1．2 Goos-H?nchen位移的理论推导

4．1．3 Goos-H?nchen位移的计算分析

4．2 双轴各向异性介质表面的Imbert-Fedorov位移

4．2．1 Imbert-Fedorov位移的产生机理

4．2．2 Imbert-Fedorov位移的理论推导

4．2．3 Imbert-Fedorov位移的计算分析

4．3 本章小结

5 电磁波在双轴各向异性介质表面的全透射现象

5．1 TE波的全透射现象

5．1．1 TE波全透射现象的理论推导

5．1．2 TE波全透射现象的仿真验证

5．2 TM波的全透射现象

5．2．1 TM波全透射现象的理论推导

5．2．2 TM波全透射现象的仿真验证

5．3 本章小结

6 双轴各向异性介质平板

6．1 电磁波在双轴各向异性介质平板中的反射与透射性质

6．2．1 TE波的导行条件

6．2．2 TM波的导行条件

6．3 一种结构简单、参数取值广泛的分波平板

6．3．1 TE波全反射，TM波全透射

6．3．2 TM波全反射，TE波全透射

6．4 本章小结

7 结论

参考文献

作者简历及攻读硕士／博士学位期间取得的研究成果

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