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1、超常介质中电磁波的传超常介质中电磁波的传播特性及其应用研究播特性及其应用研究开题报告开题报告开题报告开题报告指导指导老师老师：文双春文双春教授教授学学 生生: : 项项 元元 江江 超常介质简介超常介质简介 研究背景及选题意义研究背景及选题意义 研究内容研究内容 拟采取的解决方案拟采取的解决方案 论文工作量及进度论文工作量及进度 论文预期成果及创新点论文预期成果及创新点内容提要内容提要What are Metamaterials?What are Metamaterials?What are Metamaterials?What are Metamaterials?MetamaterialAr
2、tificially fabricated structures or media that exhibit electrodynamics properties not found in naturally occurring materials.* Dimension of the unit cell is less than the wavelength of excitation EM wave, thus the effective-media theorem can be applied. Why Metamaterials are Interesting?Why Metamate
3、rials are Interesting?* We can design and control the properties of materials. Some novel properties, such as negative electric permittivity, negative magnetic permeability, negative refractive index etc. have been explored. (a) 什么是超常材料？ 超常材料（超常材料（metamaterials)：超越天然材料的自然极限超越天然材料的自然极限超常介质简介超常介质简介(b)
4、 超常材料的种类目前人们已经发展出的这类“超常材料”包括光子晶体、负折射材料、单负材料以及超磁性材料等等。1). 负折射材料(Negative-index materials) 同时具有负的介电常数和磁导率的物质，因此其折射率也为负值。2). 单负材料(single-negative materials) 介电常数和磁导率其中一个为负的物质,因此其折射率为虚数. 包括负介电常数材料和负磁导率材料.3).各向异性负折射材料(anisotropic negative-index materials) 其介电常数和磁导率的张量矩阵中某些分量为负值.具有丰富的色散关系.4).光子晶体(photonic
5、 crystals)光子晶体是由具有不同折射率的材料在空间交替构成的一种周期结构。最根本特征是具有光子禁带，落在禁带中的光是被禁止传播的。“超材料”重要意义不仅仅体现在几类主要的人工材料上，也体现在它提供了一种全新的思维方法它为新型功能材料的设计提供了一个广阔的空间：昭示人们可以在不违背基本的物理学基本规律的前提下，人工获得与自然界中的物质具有迥然不同的超常物理性质的“新物质”。(b) 超常材料的种类(c) 超常材料的应用完美透镜全向带隙和全向反射器及滤波器光学隐身倏逝波放大与完美透镜传输波：传输波：倏逝波：倏逝波：Pendry Pendry 认为：认为： 负折射率平板透镜可以突破传统透负折射
6、率平板透镜可以突破传统透镜的衍射极限、形成超清晰的像。镜的衍射极限、形成超清晰的像。 成倒立的像成倒立的像Pendry J B Phys. Rev. Lett. 85, 3966 (2000).Pendry J B Phys. Rev. Lett. 85, 3966 (2000).传统的曲面透镜：传统的曲面透镜：负折射率平板透镜：负折射率平板透镜： 倏逝波迅速衰减倏逝波迅速衰减 成正立的像成正立的像 倏逝波被放大倏逝波被放大全向带隙和全向反射器及滤波器含超常介质的一维光子晶体可以用来实现全向带隙，可以用来全向滤波器和全向滤波器。Jiang H T et al. Appl. Phys. Lett
7、., 2003, 83: 5386. Jiang H T et al. Appl. Phys. Lett., 2003, 83: 5386. 传统的传统的BraggBragg带隙：带隙：Zero-nZero-n和和Zero-Zero-f feffeff带隙：带隙：随入射角蓝移随入射角蓝移随随极化方式改变极化方式改变随微扰变化随微扰变化 对入射角、极化方式、对入射角、极化方式、微扰微扰不敏感不敏感 缺陷模具有类似性质缺陷模具有类似性质光学隐身与控制电磁波Pendry Pendry 认为：认为：完美的隐身衣，既不反射也不吸收电磁波，而是让电磁波完美的隐身衣，既不反射也不吸收电磁波，而是让电磁波转弯
8、转弯，绕着物体走，这样物体就能，绕着物体走，这样物体就能隐身隐身, , 就像小溪里的流水，就像小溪里的流水，经过一块石头时，溪流会绕过石头后再合拢了继续向前，就像没有遇到经过一块石头时，溪流会绕过石头后再合拢了继续向前，就像没有遇到过石头一样。过石头一样。Pendry J, Schurig D, and Smith D. Science 2006, 312: 1780Pendry J, Schurig D, and Smith D. Science 2006, 312: 1780. .Schurig D, Mock J, Justice B, Cummer S, Pendry J, Starr
9、 A, and Smith D. Science, 2006, 314: 977.1.1.1.1.超常介质能够操纵光波和声波的传播。超常介质能够操纵光波和声波的传播。超常介质能够操纵光波和声波的传播。超常介质能够操纵光波和声波的传播。当超常介质的重大基础问题能够得到解决并获得应用，将产生一次意义不亚于微电子革命的光电子革命。超常介质的研究将对推动光电子集成、光通讯、微波通讯、声学以及国防等领域的发展、高新技术突破和新兴产业的诞生具有战略意义。2.2.2.2.由于负折射材料和光子晶体已经能够从微波段到红外甚至由于负折射材料和光子晶体已经能够从微波段到红外甚至由于负折射材料和光子晶体已经能够从微波
10、段到红外甚至由于负折射材料和光子晶体已经能够从微波段到红外甚至光波段实现，以及各种具有新奇特性的器件的实现，超常光波段实现，以及各种具有新奇特性的器件的实现，超常光波段实现，以及各种具有新奇特性的器件的实现，超常光波段实现，以及各种具有新奇特性的器件的实现，超常介质已经成为当今的一个热点研究领域。介质已经成为当今的一个热点研究领域。介质已经成为当今的一个热点研究领域。介质已经成为当今的一个热点研究领域。开展超常介质中电磁波的传输特性以及应用研究不仅拓展了传统的光学领域，还有望导致产生全新的操纵光的技术，从而发展出许多新型的光电子器件。研究背景及选题意义研究背景及选题意义1.超常介质中超短脉冲的
11、传播特性研究。超常介质中超短脉冲的传播特性研究。超常介质中超短脉冲的传播特性研究。超常介质中超短脉冲的传播特性研究。我们将深我们将深我们将深我们将深入考虑超短脉冲和超常介质的特点，揭示出超短入考虑超短脉冲和超常介质的特点，揭示出超短入考虑超短脉冲和超常介质的特点，揭示出超短入考虑超短脉冲和超常介质的特点，揭示出超短脉冲传播的新现象和新规律。脉冲传播的新现象和新规律。脉冲传播的新现象和新规律。脉冲传播的新现象和新规律。2.含超常介质的光子晶体光通信器件的设计和开发。含超常介质的光子晶体光通信器件的设计和开发。含超常介质的光子晶体光通信器件的设计和开发。含超常介质的光子晶体光通信器件的设计和开发。
12、含超常介质的光子晶体具备很多新奇的特性，可含超常介质的光子晶体具备很多新奇的特性，可含超常介质的光子晶体具备很多新奇的特性，可含超常介质的光子晶体具备很多新奇的特性，可以设计出大量的具有优良特性的光通信器件。以设计出大量的具有优良特性的光通信器件。以设计出大量的具有优良特性的光通信器件。以设计出大量的具有优良特性的光通信器件。3.利用超常介质丰富的色散特性，以实现对电磁波利用超常介质丰富的色散特性，以实现对电磁波利用超常介质丰富的色散特性，以实现对电磁波利用超常介质丰富的色散特性，以实现对电磁波的控制。的控制。的控制。的控制。基于这些特性可以开发出大量的性能优基于这些特性可以开发出大量的性能优
13、基于这些特性可以开发出大量的性能优基于这些特性可以开发出大量的性能优良的光通信器件，如空间滤波器，高方向性天线良的光通信器件，如空间滤波器，高方向性天线良的光通信器件，如空间滤波器，高方向性天线良的光通信器件，如空间滤波器，高方向性天线等，这也是我们要重点发展的工作。等，这也是我们要重点发展的工作。等，这也是我们要重点发展的工作。等，这也是我们要重点发展的工作。研究的主要内容研究的主要内容1.理论方面: 利用传统光学和非线性以及变换光学的方法结合超常介质的特性,进行理论上的推导和解释。2.数值模拟：掌握一些数值计算的方法，如时域有限差分(FDTD)、有限元(FEM)和传输矩阵法(TMM) ，利
14、用商业程序(CST, MultiPhysics)或者自己编制程序来验证得到的理论结果。3.实验方面：与外单位合作，制备实验样品，并利用实验室已有的条件进行实验。拟采取的解决方案拟采取的解决方案为确保该论文如期的完成，以及为下一步申报全国100篇优秀博士学位论文打下基础，下阶段的工作进度为：2007年12月至2008年4月，完成利用超常介质实现非聚焦型的空间滤波器的工作，并深入讨论利用超常介质的色散特性，如何实现控制光和电磁波。2008年5月至2008年10月，利用含超常介质光子晶体的带隙特性和缺陷模，设计新型的光通信器件，以及得到新的增大全向带隙的方法。2008年11月至2009年4月，深入考
15、虑超短脉冲和超常介质的特点，揭示出超短脉冲传播的新现象和新规律。2009年5月，完成毕业论文的撰写，准备好学位论文答辩工作。论文工作量及进度论文工作量及进度1、利用平板结构的空间滤波器取代传统的4f系统的空间滤波器，可以大大减少传统滤波器在高能激光系统中所占的空间，还可以实现近场滤波。拟采用光子晶体或负折射介质实现这种滤波器。 在国内外重要期刊上再发表高质量在国内外重要期刊上再发表高质量SCISCI论文论文2-42-4篇。篇。2、利用含超常介质的一维光子晶体的带隙特性，开发各种新型的光通信器件，包括高性能的窄带滤波器、谐振腔等；寻求几种增大零均折射率带隙和零有效相位带隙的方法和手段，以克服这两种带隙较窄的缺点。在国内外重要期刊上再发表高质量在国内外重要期刊上再发表高质量SCISCI论文论文3-43-4篇。篇。3、研究超常介质中超短电磁脉冲的传播特性，提炼出在常规介质中不曾有的物理现象或特性，分析这些现象或特性及其产生的物理原因。这对发展新型的光子器件具有重要意义。在国内外重要期刊上再发表高质量在国内外重要期刊上再发表高质量SCISCI论文论文3-43-4篇。篇。论文预期成果及创新点论文预期成果及创新点 谢谢 谢谢！
