基于电磁超材料的两种等效参数提取算法的比较分析

丁敏; 薛晖; 吴博; 孙兵兵; 刘政; 黄志祥; 吴先良

doi:10.7498/aps.62.044218

摘要

基于传统反演算法和Kramers-Kronig关系改进算法, 分别提取弱耦合和强耦合超材料渔网结构模型的等效参数, 并对两种算法的有效性及普适性进行了探讨.理论分析及计算结果表明, 传统的反演算法可以准确地反演弱、强耦合情形下电磁超材料结构的等效参数, 但计算复杂度较高;而基于Kramers-Kronig关系的改进算法巧妙地降低了计算的复杂度, 能简单准确地提取弱耦合情形下电磁超材料结构的等效参数, 但对于强耦合情形则不适用, 原因在于强耦合情形破坏了Kramers-Kronig关系的解析且连续性要求. 研究结果拓展了等效媒质理论并可为新的电磁超材料的设计提供理论参考.

关键词:

Abstract

Extracting the equivalent parameters of the weak-coupling and strong-coupling fishnet structure metamaterial based on the traditional retrieval algorithm and the improved algorithm of Kramers-Kronig relations are proposed, respectively. A comparative analysis of the effectiveness and applicability of the two algorithms are also included. The theoretical analysis and numerical results show that the traditional retrieval algorithm can retrieve the equivalent parameters of the weak-coupling and strong-coupling cases of electromagnetic metamaterials accurately, but with high computational complexity. While the improved algorithm based on the Kramers-Kronig relations can reduce the computational complexity and extract the equivalent parameters only for the weak-coupling case of electromagnetic metamaterials. However, it is not suitable for the strong-coupling case which may disobey the continuity requirement of the Kramers-Kronig relations. The presented results may extend the equivalent medium theory and provide a theoretical reference for the design of new metamaterials.

Keywords:

作者及机构信息

1.
安徽大学, 计算智能与信号处理教育部重点实验室, 合肥 230039;

2.
合肥师范学院物理与电子工程系, 合肥 230061

基金项目: 国家自然科学基金(批准号:60931002,61101064,51277001)、安徽省杰出青年基金(批准号:1108085J01)、安徽省高校重点项目(批准号:KJ2011A002,KJ2012A013)和安徽大学211工程资助的课题.

Authors and contacts

1.
Key Laboratory of Intelligent Computing and Signal Processing, Ministryof Education, Anhui University, Hefei 230039, China;

2.
Department of Physics and Electronic Engineering, Hefei NormalUniversity, Hefei 230061, China

Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 60931002, 61101064, 51277001), the Fund for Distinguished Young Scholars of Anhui Province, China (Grant No.1108085J01), the Key Program of the Higher Education Institutions of Anhui Province, China (Grant Nos. KJ2011A002, KJ2012A013), and the 211 project of Anhui University, China.

参考文献

[1]	Veselago V G 1968 Sov. Hys. Usp. 10 509
[2]	Houck A A, Brock J B, Chuang I L 2003 Phys. Rev. Lett. 90 137401
[3]	Seddon N, Bearpark T 2003 Science 302 1537
[4]	Parazzoli C G, Greegor R B, Li K, Koltenbah B E C, Tanielian M 2003 Phys. Rev. Lett. 90 107401
[5]	Pendry J B 2000 Phys. Rev. Lett. 85 3966
[6]	Wang J F, Zhang J Q, Ma H, Yang Y M, Gu C, Qu S B, Xu Z 2009 Acta Phys. Sin. 58 3224 (in Chinese) [王甲富, 张介秋, 马华, 杨一鸣, 顾超, 屈绍波, 徐卓 2009 58 3224]
[7]	Li J C, Guo L X, Liu S H 2012 Acta Phys. Sin. 61 124102 (in Chinese) [李俊成, 郭立新, 刘松华 2012 61 124102]
[8]	Dolling G, Enkrich C, Wegener M, Soukoulis C M, Linden S 2006 Opt. Lett. 31 1800
[9]	Smith D R 2010 Phys. Rev. E 81 036605
[10]	Minowa Y, Nagai M, Tao H, Fan K, Strikwerda A C, Zhang X, Averitt R D, Tananka K 2011 IEEE Trans. Terahertz Sci. Tech. 1 441
[11]	Koschny T, Markos P, Economou E N, Smith D R, Vier D C, Soukoulis C M 2005 Phys. Rev. B 71 245105
[12]	Smith D R, Vier D C, Koschny T, Soukoulis C M 2005 Phys. Rev. E 71 036617
[13]	Lucarini V, Saarinen J J, Peiponen K E, Vartiainen E M 2005 \linebreak Kramers-Kronig Relations in Optical Materials Research (Berlin: Springer-Verlag) p28
[14]	Peiponen K E, Saarinen J J 2009 Rep. Prog. Phys. 72 056401
[15]	Akyurtlu A, Kussow A G 2010 Phys. Rev. A 82 055802
[16]	Tatartschuk E, Radkovskaya A, Shamonina E, Solymar L 2010 Phys. Rev. B 81 115110
[17]	Powell D A, Lapine M, Gorkunov M V, Shadrivov I V, Kivshar Y S 2010 Phys. Rev. B 82 155128
[18]	Valentine J, Zhang S, Zentgraf T, Ulin-Avila E, Genov D A, Bartal G, Zhang X 2008 Nature 455 376

施引文献

[1]	Veselago V G 1968 Sov. Hys. Usp. 10 509
[2]	Houck A A, Brock J B, Chuang I L 2003 Phys. Rev. Lett. 90 137401
[3]	Seddon N, Bearpark T 2003 Science 302 1537
[4]	Parazzoli C G, Greegor R B, Li K, Koltenbah B E C, Tanielian M 2003 Phys. Rev. Lett. 90 107401
[5]	Pendry J B 2000 Phys. Rev. Lett. 85 3966
[6]	Wang J F, Zhang J Q, Ma H, Yang Y M, Gu C, Qu S B, Xu Z 2009 Acta Phys. Sin. 58 3224 (in Chinese) [王甲富, 张介秋, 马华, 杨一鸣, 顾超, 屈绍波, 徐卓 2009 58 3224]
[7]	Li J C, Guo L X, Liu S H 2012 Acta Phys. Sin. 61 124102 (in Chinese) [李俊成, 郭立新, 刘松华 2012 61 124102]
[8]	Dolling G, Enkrich C, Wegener M, Soukoulis C M, Linden S 2006 Opt. Lett. 31 1800
[9]	Smith D R 2010 Phys. Rev. E 81 036605
[10]	Minowa Y, Nagai M, Tao H, Fan K, Strikwerda A C, Zhang X, Averitt R D, Tananka K 2011 IEEE Trans. Terahertz Sci. Tech. 1 441
[11]	Koschny T, Markos P, Economou E N, Smith D R, Vier D C, Soukoulis C M 2005 Phys. Rev. B 71 245105
[12]	Smith D R, Vier D C, Koschny T, Soukoulis C M 2005 Phys. Rev. E 71 036617
[13]	Lucarini V, Saarinen J J, Peiponen K E, Vartiainen E M 2005 \linebreak Kramers-Kronig Relations in Optical Materials Research (Berlin: Springer-Verlag) p28
[14]	Peiponen K E, Saarinen J J 2009 Rep. Prog. Phys. 72 056401
[15]	Akyurtlu A, Kussow A G 2010 Phys. Rev. A 82 055802
[16]	Tatartschuk E, Radkovskaya A, Shamonina E, Solymar L 2010 Phys. Rev. B 81 115110
[17]	Powell D A, Lapine M, Gorkunov M V, Shadrivov I V, Kivshar Y S 2010 Phys. Rev. B 82 155128
[18]	Valentine J, Zhang S, Zentgraf T, Ulin-Avila E, Genov D A, Bartal G, Zhang X 2008 Nature 455 376

[1]	金嘉升, 马成举, 张垚, 张跃斌, 鲍士仟, 李咪, 李东明, 刘洺, 刘芊震, 张贻歆. 基于相变材料的慢光和吸收可切换多功能太赫兹超材料. , 2023, 72(8): 084202. doi: 10.7498/aps.72.20222336
[2]	牟春晖, 陈娟, 范凯航, 鲁艺. 适用于一维精细结构电磁目标模拟的通用HIE-FDTD方法及程序实现. , 2022, 71(18): 184101. doi: 10.7498/aps.71.20220695
[3]	陈闻博, 陈鹤鸣. 基于超材料复合结构的太赫兹液晶移相器. , 2022, 71(17): 178701. doi: 10.7498/aps.71.20212400
[4]	江孝伟, 武华. 吸收波长和吸收效率可控的超材料吸收器. , 2021, 70(2): 027804. doi: 10.7498/aps.70.20201173
[5]	崔铁军, 吴浩天, 刘硕. 信息超材料研究进展. , 2020, 69(15): 158101. doi: 10.7498/aps.69.20200246
[6]	田晓林, 赵宇宏, 田晋忠, 侯华. 原子间相互作用势对中Al浓度Ni₇₅Al_xV_25-x合金沉淀序列的影响. , 2018, 67(23): 230201. doi: 10.7498/aps.67.20181366
[7]	金柯, 刘永强, 韩俊, 杨崇民, 王颖辉, 王慧娜. 基于超材料的中波红外宽带偏振转换研究. , 2017, 66(13): 134201. doi: 10.7498/aps.66.134201
[8]	牟媛, 吴振森, 张耿, 高艳卿, 阳志强. 基于Kramers-Kronig关系建立金属太赫兹色散模型. , 2017, 66(12): 120202. doi: 10.7498/aps.66.120202
[9]	汪肇坤, 杨振宇, 陶欢, 赵茗. 复合结构螺旋超材料对光波前的高效调控. , 2016, 65(21): 217802. doi: 10.7498/aps.65.217802
[10]	金国梁, 尹剑飞, 温激鸿, 温熙森. 基于等效参数反演的敷设声学覆盖层的水下圆柱壳体声散射研究. , 2016, 65(1): 014305. doi: 10.7498/aps.65.014305
[11]	徐新河, 刘鹰, 甘月红, 刘文苗. 磁电耦合超材料本构矩阵获取方法的研究. , 2015, 64(4): 044101. doi: 10.7498/aps.64.044101
[12]	常红伟, 马华, 张介秋, 张志远, 徐卓, 王甲富, 屈绍波. 基于加权实数编码遗传算法的超材料优化设计. , 2014, 63(8): 087804. doi: 10.7498/aps.63.087804
[13]	刘亚红, 方石磊, 顾帅, 赵晓鹏. 多频与宽频超材料吸收器. , 2013, 62(13): 134102. doi: 10.7498/aps.62.134102
[14]	沈晓鹏, 崔铁军, 叶建祥. 基于超材料的微波双波段吸收器. , 2012, 61(5): 058101. doi: 10.7498/aps.61.058101
[15]	钟顺林, 韩满贵, 邓龙江. 超材料微波磁导率色散行为的电可调控性研究. , 2011, 60(11): 117501. doi: 10.7498/aps.60.117501
[16]	孙良奎, 程海峰, 周永江, 王军, 庞永强. 一种基于超材料的吸波材料的设计与制备. , 2011, 60(10): 108901. doi: 10.7498/aps.60.108901
[17]	闻孺铭, 李凌云, 韩克武, 孙晓玮. 微波超材料隐形结构及其新型快速实验方案. , 2010, 59(7): 4607-4611. doi: 10.7498/aps.59.4607
[18]	付非亚, 陈微, 周文君, 刘安金, 邢名欣, 王宇飞, 郑婉华. 纳米三明治结构光子超材料中电磁场振荡行为研究. , 2010, 59(12): 8579-8583. doi: 10.7498/aps.59.8579
[19]	相建凯, 马忠洪, 赵延, 赵晓鹏. 可见光波段超材料的平面聚焦效应. , 2010, 59(6): 4023-4029. doi: 10.7498/aps.59.4023
[20]	盛峥, 黄思训, 赵小峰. 雷达回波资料反演海洋波导中观测值权重的确定. , 2009, 58(9): 6627-6632. doi: 10.7498/aps.58.6627

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