特異表面的異常折射特性研究分析論文
特異材料自2001年被D.R.Smith研究組實驗驗證以來，由于其奇特的物理特性和重要的應用價值而受到了廣泛的關注。特異材料作為一種人工復合微結構材料，可通過調節結構單元的參數，實現任意調控電磁波的目的，如負折射,電磁隱身、超強荊合、共振隧穿、亞波長成像等而這些物理現象通常是用正常材料無法實現的。近幾年，為了減少損耗提高特異材料的工作效率，人們提出了一種二維平面陣列式特異材料，由于其厚度遠小于工作波長，因此被稱為特異表面。Camass研究組通過對結構單元的精心設計，可實現波束傳播方向的任意調控，從而改寫了斯涅爾折射定律;周磊研究組利用特異表面將傳播波轉化為表面波， S.Zhang研究組設計了三維全息圖和偏振相關的透鏡;另外還有一些波帶片等光學器件的應用研究。特異表面的這些物理特性的理論依據是人射電磁波與結構單元的共振機制，從而能夠在亞波長尺度對人射電磁波進行調制，實現對波束的任意裁剪和整形，與最初的特異材料相比較，這種超薄二維陣列結構材料，不僅能夠實現負折射等奇特的物理現象，還具有體積小、加工簡便、性能穩定的特點，在實際應用中具有巨大的發展潛力。
特異表面的物理特性由結構單元的幾何參數、材質和周期決定，因而研究各種不同的結構單元對于實際應用具有重要的價值。本文設計了一個偏振選擇特異表面，采用FDTD算法對比研究了偏振和相位分布對電磁波透射電場的影響和變化規律。
1普遍情況下的斯涅爾折射定律
根據天線理論，當電磁波照射到金屬結構上時，金屬內部的自由電子會受外界電場影響產生共振電磁場，該電磁場相對于人射電磁波有一定的相位延遲和響應效率。當金屬結構的尺寸小于響應波長時，可近似看作金屬結構對人射電磁波進行了振幅和相位調制。若將相位延遲或響應效率按照一定的規律排列，則可實現對光束傳播方向和波矢的定量調控。由于這種共振響應在傳播方向上可做到超薄，因此原折射定律需要改寫為普遍情況下的折射定律:可知，透射光的傳播方向或波前是由各點的相位延遲分布決定的，因此通過改變相位分布，則可實現波束的調控。
特異表面的結構單元對電磁場的響應特性與人射波的偏振、人射角等因素有關。對于圓偏振光而言，其垂直透射偏振的相位與結構單元的方位角有關，該相位被稱為Berry相位。依據此理論設計了金屬環和金屬棒的組合結構單元:其中，金屬環的`半徑和寬度為:金屬棒的長度和寬度改變過金屬棒的方位角可實現透射垂直偏振的相位變化量，且相位變化的正負受人射光的旋向控制。采用圓環結構，有助于減少各結構單元之間的藕合。
2透射電場分布情況分析
為了對比相位分布結構和人射光偏振態對透射波電場分布的調制規律，分別采用5個結構4個結構單元實現的相位延遲，采用不同的人射圓偏振光，分別觀察透射光的傳播方向和電場分布情況。
復合結構周期，當人射光為左旋圓偏振光(右旋圓偏振光)，改變結構單元的方位角，與水平方向的夾角依次遞增中左旋圓偏振光自上而下，垂直人射到界面處，受特異表面內結構單元的相位調制，共振產生新的電磁波，新電磁波包括向上和向下傳播的分量，向上部分與反射波疊加到一起形成雜亂的干涉場，而透射部分受原場的影響小，其傳播特性可定量控制，方向發上了改變。同樣是利用該特異表面，換用右旋圓偏振光照射。
3結論
本文提出了一種偏振選擇特異表面，當人射光的偏振狀態不同是，其透射垂直偏振態分量的折射角相反;通過調節相位變化梯度，得到極限情況下最大折射角。研究結果可用于設計偏振選擇表面和定量調控折射角度。
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