人工非线性双负超介质的设计与实验研究

Double-negative metamaterial is an artificial periodic media for which processes the negative electric permittivity and the negative magnetic permeability simultaneously. Double-negative metamaterial has the unique properties of negative refractive index, negative transmission phase, evanescent wave amplication. The introduction of the nonlinear parameters in double-negative metamaterial can further expand the range of the electromagnetic parameters and its applications. In this project, we will design and fabricate low-loss nonlinear double-negative metamaterial, and then demonstrate its nonlinear effects theoretically and experimentally. Physical principle of the nonlinear effects can be explored. Besides that, we will also investigate some novel nonlinear phenomena of the metamaterial such as phase-matched three-wave and four-wave mixing, parameter amplication effect, tunable electromagnetic shielding. And then we will apply these novel nonlinear phenomena to the fields of active antennas, active cloaking, and wireless communications. For instance, we will design some novel microwave antennas and study their performances. We believe this project has the potential values to further study metamaterial, nonlinear optics, antennas, and novel microwave devices.

人工双负超介质是一种同时具有负介电常数和负磁导率的周期性结构材料，能展现出诸如负折射率、负传输相位、倏逝波放大等非常奇异的物理特性。在双负超介质中引入非线性参数，可进一步扩展此类人工超介质的电磁参数范围及应用领域。本项目将对人工双负非线性超介质进行系统的研究，设计并制备低损耗非线性双负超介质，理论与实验相结合研究其非线性效应，探究非线性效应的物理本质。同时利用超介质的负参数特性，本项目还将对一些新的非线性现象进行研究，例如正负相位匹配的三波/四波混频技术、参量放大效应、可控电磁屏蔽等效应，并且将其应用到有源天线、主动隐身、通讯领域等方面的研究中，设计新型的微波天线等器件，并实验研究其性能。本项目的研究对超介质、非线性光学、天线、新型微波器件等领域有重要的潜在价值。

双负超介质由于具有负折射率、负传输相位、倏逝波放大等奇特的物理特性引起了各国科研工作者的极大关注。双负超介质中的非线性参数，扩展了超介质的电磁参数范围及应用领域。本项目系统研究了人工非线性双负超介质，理论与实验研究了非线性效应如二次谐波的产生、非线性效应增强、相位匹配等。此外，本项目还将超介质应用到微波器件领域，设计了新型的微波高增益天线、宽角扫描天线、低RCS天线、圆极化天线等，主要研究结果如下：.1. 将有效媒质理论与非线性光学理论结合，建立了人工非线性双负超介质结构模型，研究了非线性元件参数对介质电磁参数的影响。设计了由方形开口谐振环与S形结构组合而成的非线性双负超介质，该双负超介质在两个频率2.15GHz、4.3GHz，电磁参数均为负值。.2. 仿真与实验研究了非线性双频双负超介质的电磁行为，由于基频和二次谐波均位于负参数区域，在超介质内部，二次谐波能流方向与基频相同，并且在基频输出界面完全输出。通过改变发射功率观测二次谐波，传输以及反射二次谐波能量均随功率的增大而增大。在同样功率下，二次谐波的传输能量要远大于反射能量。.3. 通过准相位匹配增强了非线性双负超介质中的二次谐波效应，我们通过模拟改变非线性系数符号的方式实现准相位匹配，设计并制备了两种匹配状态的非线性样品，结果表明，经过准相位匹配后的样品，传输及反射的二次谐波功率得到了显著增强。.4. 提出了一种宽带阻抗匹配的近零折射率超介质，通过调控超介质的电及磁等离子体谐振频率，使其在8.45-10.5GHz具有相等的近零磁导率和近零介电常数。.5. 基于超介质的新型天线研究，设计并制备了零折射超介质高增益天线，与传统天线相比，天线增益提高了4.78 dB；利用宽带阻抗匹配的近零折射率超介质突破了传统天线阵扫描临界角的限制，极大地展宽了天线的扫描角度；将超介质吸收器引入到低RCS天线设计中，超介质吸收器的加载，使天线RCS明显减小；此外，利用具有相位梯度变化的手性超介质，实现了天线极化模式、波束方向的调控。. 人工非线性双负超介质中奇异的光学和电磁学特性扩展了非线性电磁学、光学等研究领域，必将发展出许多新型的微波、光电子器件，必定会给电磁学、光学、微波器件、信号处理等领域带来新技术革命。本项目的研究结果对超介质、非线性光学、天线、微波器件等领域有重要价值。