基于二维特异材料波导的表面电磁波的慢波实验研究

王五松; 张利伟; 张冶文; 方恺

doi:10.7498/aps.62.024203

摘要

本文在理论分析的基础上,实验研究了二维MNG/DPS/MNG (磁单负材料/双正材料/磁单负材料) 表面波波导中的慢波效应.该波导的色散曲线随着电路参数(单元电容)的改变而改变, 而且在色散曲线的截止频率点,电磁波的群速度理论上等于零.因此可以通过改变MNG区域的电路参数, 得到在不同截止频率的慢波特性.另外,本文还通过改变MNG区域的电路参数实现在某一固定频率下波速度渐变的慢波效应. 实验结果与仿真结果相一致.

关键词:

Abstract

In this paper, we study the slow propagation characteristics of surface electromagnetic waves according to theoretical analysis in the MNG (μ-negative)-DPS (double-positive)-MNG waveguide, which is composed of two-dimensional (2D) metamaterials. The dispersion curves of this waveguide vary with circuit parameter (unit capacitors) of MNG metamaterial. At the cutoff frequency of the dispersion curve the group velocity of electromagnetic wave is equal to zero in theory. So we can obtain slow propagation of the surface waves at different cutoff frequencies just by changing the unit capacitor of the MNG metamaterial. Theoretical analysis also shows that the step changes in slow waves are obtained at some fixed frequencies through changing the unit circuit parameters. The experimental results are in good agreement with simulation results.

Keywords:

作者及机构信息

1.
同济大学物理系先进微结构材料教育部重点实验室, 上海 200092;

2.
河南理工大学物理化学学院, 焦作 454000

基金项目: 国家重点基础研究发展计划(批准号: 2011CB922001)、国家自然科学基金(批准号: 10904032) 和河南省高等学校青年骨干教师资助计划项目(批准号: 2012GGJS-060)资助的课题.

Authors and contacts

1.
MOE Key Laboratory of Advanced Micro-structure Materials, Department of Physics, Tongji University, Shanghai 200092, China;

2.
School of Physics and Chemistry, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China

Funds: Project supported by the National Basic Research Program (973) of China (Grant No. 2011CB922001), the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 10904032), and the Excellent Youth Teachers Program of Universities in Henan Province (Grant No. 2012GGJS-060).

参考文献

[1]	Krauss T F 2008 Nat. Photon. 2448 50
[2]	Kirby E I, Hamm J M, Sakmakidis K L T, Hess O 2009 J. Opt. A: Pure ppl. Opt. 11 114027
[3]	Han Z H, Sergey I B 2011 Opt. Express 19 4
[4]	Melloni A, Morichetti F, Martinelli M 2003 Opt. Photonics News 14 44
[5]	Vlasov Y A, Boyle M O', Hamann H F, McNab S J 2005 Nature 438 65
[6]	He J L, Jin Y, Hong Z, He S 2008 Opt. Express 16 15
[7]	Tsakmakidis K L, Klaedtke A, Aryal D P, Jamois C, Hess O 2006 Appl. Phys. Lett. 89 201103
[8]	Liu D, Han P 2010 Acta Phys. Sin. 59 7066 (in Chinese) [刘冬梅, 韩鹏 2010 59 7066]
[9]	Zhang L W, Xu J P, He L, Qiao W T 2010 Acta Phys. Sin. 59 7863 [张利伟, 许静平, 赫丽, 乔文涛 2010 59 7863]
[10]	Jiang T, Zhao J, Feng Y 2009 Opt. Express 17 170
[11]	Tsakmakidis K L, Boardman A D, Hess O 2007 Nature 450 397
[12]	Gan Q, Fu Z, Ding Y J, Bartoli F J 2008 Phys. Rev. Lett. 100 256803
[13]	Lu W T, Savo S, Didier B, Casse F, Srinivas S 2009 Microw. Opt. Techn. Lett. 51 11
[14]	Kats A V, Savel'ev S, Yampol'skii V A, Nori 2007 Phys. Rev. Lett. 98 073901
[15]	Park K, Lee B J, Fu C J, Zhang Z M 2005 J. Opt. Soc. Am. B 22 5
[16]	Stegeman G I, Wallis R F, Maradudin A 1983 Opt. Lett. 8 7
[17]	Thevenaz L 2008 Nature Photon. 2 474
[18]	Savo S, Casse B D F, Lu W T, Sridhar1 S 2011 Appl. Phys. Lett. 98 171907
[19]	Ruppin R 2001 J. Phys.: Condens. Matter 13 1811
[20]	Shadrivov V I, Sukhorukov A A, Kivshar Y S 2003 Phys. Rev. E 67 057602
[21]	Caloz, Itoh T 2006 Electromagnetic Metamaterials: Transmission Line Theory and Microwave Applications (New York: Wiley & Sons) p133
[22]	Ashwin K I, Kremer P C, Eleftheriades G V 2003 Opt. Express 11 7
[23]	Wang Y Z, Zhang Y W, He L, Liu F Q, Li H Q, Chen H 2006 J. Appl. Phys. 100 113503

施引文献

[1]	Krauss T F 2008 Nat. Photon. 2448 50
[2]	Kirby E I, Hamm J M, Sakmakidis K L T, Hess O 2009 J. Opt. A: Pure ppl. Opt. 11 114027
[3]	Han Z H, Sergey I B 2011 Opt. Express 19 4
[4]	Melloni A, Morichetti F, Martinelli M 2003 Opt. Photonics News 14 44
[5]	Vlasov Y A, Boyle M O', Hamann H F, McNab S J 2005 Nature 438 65
[6]	He J L, Jin Y, Hong Z, He S 2008 Opt. Express 16 15
[7]	Tsakmakidis K L, Klaedtke A, Aryal D P, Jamois C, Hess O 2006 Appl. Phys. Lett. 89 201103
[8]	Liu D, Han P 2010 Acta Phys. Sin. 59 7066 (in Chinese) [刘冬梅, 韩鹏 2010 59 7066]
[9]	Zhang L W, Xu J P, He L, Qiao W T 2010 Acta Phys. Sin. 59 7863 [张利伟, 许静平, 赫丽, 乔文涛 2010 59 7863]
[10]	Jiang T, Zhao J, Feng Y 2009 Opt. Express 17 170
[11]	Tsakmakidis K L, Boardman A D, Hess O 2007 Nature 450 397
[12]	Gan Q, Fu Z, Ding Y J, Bartoli F J 2008 Phys. Rev. Lett. 100 256803
[13]	Lu W T, Savo S, Didier B, Casse F, Srinivas S 2009 Microw. Opt. Techn. Lett. 51 11
[14]	Kats A V, Savel'ev S, Yampol'skii V A, Nori 2007 Phys. Rev. Lett. 98 073901
[15]	Park K, Lee B J, Fu C J, Zhang Z M 2005 J. Opt. Soc. Am. B 22 5
[16]	Stegeman G I, Wallis R F, Maradudin A 1983 Opt. Lett. 8 7
[17]	Thevenaz L 2008 Nature Photon. 2 474
[18]	Savo S, Casse B D F, Lu W T, Sridhar1 S 2011 Appl. Phys. Lett. 98 171907
[19]	Ruppin R 2001 J. Phys.: Condens. Matter 13 1811
[20]	Shadrivov V I, Sukhorukov A A, Kivshar Y S 2003 Phys. Rev. E 67 057602
[21]	Caloz, Itoh T 2006 Electromagnetic Metamaterials: Transmission Line Theory and Microwave Applications (New York: Wiley & Sons) p133
[22]	Ashwin K I, Kremer P C, Eleftheriades G V 2003 Opt. Express 11 7
[23]	Wang Y Z, Zhang Y W, He L, Liu F Q, Li H Q, Chen H 2006 J. Appl. Phys. 100 113503

[1]	郭伟杰, 陈再高, 蔡利兵, 王光强, 程国新. 0.14 THz双环超材料慢波结构表面波振荡器数值研究. , 2015, 64(7): 070702. doi: 10.7498/aps.64.070702
[2]	王兵, 文光俊, 王文祥. 同轴交错圆盘加载波导慢波结构高频特性的研究. , 2014, 63(22): 224101. doi: 10.7498/aps.63.224101
[3]	李粮生, 闫华, 侯兆国, 殷红成. 部分Bessel形电磁波. , 2013, 62(3): 030301. doi: 10.7498/aps.62.030301
[4]	刘燕文, 王小霞, 朱虹, 韩勇, 谷兵, 陆玉新, 方荣. 金刚石材料对螺旋线慢波组件散热性能的影响. , 2013, 62(23): 234402. doi: 10.7498/aps.62.234402
[5]	王五松, 张利伟, 冉佳, 张冶文. 微波频段表面等离子激元波导滤波器的实验研究. , 2013, 62(18): 184203. doi: 10.7498/aps.62.184203
[6]	赵德双, 岳文君, 余敏, 张升学. 时间反演脉冲电磁波在双负材料中传播特性研究. , 2012, 61(7): 074102. doi: 10.7498/aps.61.074102
[7]	张利伟, 赵玉环, 王勤, 方恺, 李卫彬, 乔文涛. 各向异性特异材料波导中表面等离子体的共振性质. , 2012, 61(6): 068401. doi: 10.7498/aps.61.068401
[8]	任丽红, 罗积润, 张弛. 利用金属贴片电磁带隙结构在金属波导中创建准横电磁波. , 2011, 60(8): 088401. doi: 10.7498/aps.60.088401
[9]	杨锐, 谢拥军, 王元源, 傅焕展. 加载异向介质非辐射介质波导中的慢波传输及应用. , 2008, 57(9): 5513-5518. doi: 10.7498/aps.57.5513
[10]	杜晓宇, 郑婉华, 任刚, 王科, 邢名欣, 陈良惠. 二维光子晶体耦合腔阵列的慢波效应研究. , 2008, 57(1): 571-575. doi: 10.7498/aps.57.571
[11]	路志刚, 魏彦玉, 宫玉彬, 吴周淼, 王文祥. 具有任意槽的矩形波导栅慢波结构高频特性的研究. , 2007, 56(6): 3318-3323. doi: 10.7498/aps.56.3318
[12]	焦重庆, 罗积润. 有损金属圆波导中电磁波传输特性的研究. , 2006, 55(12): 6360-6367. doi: 10.7498/aps.55.6360
[13]	顾建忠, 林水洋, 王闯, 喻筱静, 孙晓玮. 基于补偿型微带谐振单元的一维光子带隙结构. , 2006, 55(8): 4176-4180. doi: 10.7498/aps.55.4176
[14]	岳玲娜, 王文祥, 魏彦玉, 宫玉彬. 同轴任意槽形周期圆波导慢波结构色散特性的研究. , 2005, 54(9): 4223-4228. doi: 10.7498/aps.54.4223
[15]	张天浩, 路彦珍, 康慧珍, 杨大鹏, 郑建亚, 方哲宇, 楼慈波, 杨嘉, 杨会战, 尹美荣. 铌酸锶钡光折变表面电磁波实验. , 2005, 54(10): 4688-4691. doi: 10.7498/aps.54.4688
[16]	朱永强, 王煜, 沈彬彬, 洪鑫锋, 梁子长. 粉碎电磁波的性质和应用. , 2001, 50(5): 832-836. doi: 10.7498/aps.50.832
[17]	郑宏兴, 葛德彪. 广义传播矩阵法分析分层各向异性材料对电磁波的反射与透射. , 2000, 49(9): 1702-1705. doi: 10.7498/aps.49.1702
[18]	吴坚强, 刘盛纲. 含等离子体柱的介质慢波波导中的注波互作用分析. , 1997, 46(10): 1946-1952. doi: 10.7498/aps.46.1946
[19]	唐孟希, 李芳昱. 高频引力波对环形波导中电磁波的调制作用. , 1997, 46(2): 238-248. doi: 10.7498/aps.46.238
[20]	郝柏林. 金属在红外波段的表面电阻和电磁波的穿透系数. , 1961, 17(10): 453-464. doi: 10.7498/aps.17.453

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