各向异性特异材料及复合结构中光子奇异传播行为的理论研究

特异材料是近年来国际上非常活跃的一个研究领域，由于它拥有很多正常材料无法实现的新奇物理性质以及潜在的技术应用前景而倍受关注。本项目利用4×4转移矩阵以及有效介质理论等方法对各向异性特异材料及复合结构中光子的奇异传播行为进行理论研究。主要研究各向异性特异材料以及由它们组成的光子晶体中光子奇异传播的透射行为与能带调控，含各向异性特异材料的结构在超常色散关系中的物理特性，以及损耗型各向异性特异材料中光子脉冲的输运行为。项目拟解决以下关键问题：由各向异性特异材料组成的光子晶体在不同方向上能带之间的调控关系；各向异性特异材料以及"不确定媒质"材料中的参数在不同情况下的作用和变化关系；损耗型各向异性特异材料中损耗的变化对光子透射影响的物理本质。上述问题的研究成果，不仅会加深人们对特异材料中光子传播基本物理过程的了解，而且对特异材料的应用与相关器件的研制具有指导意义。

本项目主要围绕各向异性特异材料及复合结构中光子奇异传播行为的若干问题展开理论研究。第一，研究了各向异性特异材料中光子的奇异传播行为。在这部分内容中，我们主要对“不确定媒质”和各向异性磁光特异材料中光子的基本传输图像做了分析。第二，研究了含各向异性特异材料的结构在超常色散关系中的物理特性。在这部分内容中，我们分别利用电磁有限元数值仿真和转移矩阵方法研究了含各向异性特异材料的多成份复合结构在超常色散关系中的透射特性，并且利用它们的特性实现了全向反射镜和窄带角度滤波。第三，研究了损耗型各向异性特异材料中光子脉冲的输运行为。在这部分内容中，首先我们利用数值仿真和微波实验研究了电磁波在损耗型单负特异材料中的传输特性。研究结果表明，随着耗散系数的增大，损耗型单负特异材料的透射在某些频率段是增高的，即增大损耗反而增大了材料透射特性。这种出乎意料之外的透射特性与损耗型介电材料的透射变化规律完全不同。其次我们利用转移矩阵和有效参数方法研究了磁光金属的磁光法拉第旋转效应。对于磁光金属，我们知道它的磁光性质很强，但是透射光强很小，以至于法拉第效应一直无法被利用。我们设计了介质光子晶体和磁光金属的异质结构，利用光子隧穿理论使其结构中产生了共振透射，且电磁场强烈局域在光子晶体和磁光金属的界面上，从而导致法磁光金属的透射和法拉第旋转效应的同时增强。以上研究成果，不仅会加深人们对各向异性特异材料中光子传播基本物理过程的了解，而且对特异材料的应用与相关器件的研制具有指导意义。