多层人工超常材料系统表面电磁波的理论研究.pdf

左手材料(Left-Handed Medium，LHM)，即人工超常材料(meta-materials)，其介电常数和磁导率都是负值，并且在其中传播的平面电磁波的电场矢量、磁场矢量以及波矢量形成左手关系。1967年，前苏联科学家Veselago首先提出LHM，并在理论上预言了其一些非同寻常的现象和特殊的性质，例如，反常多普勒(Doppler)频移、切伦可夫(Cherenkov)辐射的逆转以及负折射现象等。1996-1999年，Pendry教授等人从理论上巧妙设计了由细金属线的三维周期结构组成的负介电常数材料，以及周期性规则排列的开口环型谐振器构成的负磁导率材料。2000和2001年，美国加州大学圣地亚哥(UCSD)分校的Smith教授等人根据Pendry的理论，把周期性排列的非磁性的开口环型谐振器和细金属线阵列结构组合在一起实现了左手材料。从此，人工超常材料成为国内外科学研究的前沿热点。目前，左手材料的设计已经从微波波段发展到光波波段，材料组成也从金属发展到非金属，比如半导体左手材料和掺杂左手材料，从而逐步朝着实用化方向发展。人工超常材料可用于设计新型光电器件、天线和波导，并在无线通信、光通信和医疗诊断系统等方面有潜在应用价值。 表面电磁波，即表面等离子体激元(Surface Plasmon Polaritons，SPPs)，是沿两个介质的分界面传播的电磁波，并且在偏离分界面时，其振幅随距离的增加按指数衰减。早在1909年Sommerfeld就预言了表面电磁波的存在，在地球表面传播的地波就是一例，其本质上是由电子电荷的集体激发所导致的。SPPs有不少潜在的应用，如数据存储，光学振荡，显微镜以及生物光学等等。近年来，各种各样不同界面上的表面等离子体激元引起了许多科学家的兴趣，特别是人工超常材料界面上的SPPs，更会有许多潜在的应用价值和意想不到的性质。比如，可用来设计新型滤波器等光电器件等。 本论文主要研究由常规介电材料(Dielectric)、左手材料(LHM)、负介电常数材料(Negative dielectric permittivity material，NDPM)、及负磁导率材料(Negative magnetic permeability material，NMPM)组成的多层结构界面表面等离子体激元的性质，包括其存在区域、色散关系和衰减全反射(Attenuated Total Reflection，ATR)光谱。具体可分为以下几个部分： 首先，介绍人工超常材料的概念，进而详细地阐述其发展历史、现状及应用前景。此外，还介绍了表面电磁波及其应用。 其次，理论分析由Dielectric、NDPM、NMPM和LHM这四种材料组成的四层不对称及五层对称结构界面上表面等离子体激元的存在条件和色散关系，并分别讨论上述四种材料的物理性质与频率的关系。此外，还介绍ATR技术的原理，并推出四层不对称和五层对称结构的复振幅反射率公式。 第三，基于p和s两种偏振，分别讨论“ABCA”型，“ABAB”型和“ABCD”型这三种不同类型的四层不对称结构界面上SPPs的存在区域和色散关系曲线，并通过ATR光谱探究了激发和观察SPPs的可能性。 第四，基于p和s两种偏振，分别讨论“ABABA”型，“ABCBA”型这两种类型的五层对称结构界面上SPPs的存在区域、色散关系曲线及其ATR光谱。 最后，对本文工作进行总结并展望下一步的研究工作。

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