太赫兹奇异介质研究报告

µμ0 是真空的磁导率，h是电介质的厚度，l是金属线段的长 度，w是金属线段的宽度，ε 是电介质的介电常数，b是两 个相邻单元时间的距离，mt 是金属的厚度，C1是个待定的常 数，其值应大于零而小于 1，表示的是金属线段的等效长度 与真实长度之间的比例。
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磁矢量B 波矢量k
电矢量E
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路人式 暴露式
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真空
水（液体）
介质
（引导式）
玻璃
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通过设计单元材料及排列，得到负介电常数
通过设计开口环形式，得到负磁导率
通过改变单元等效R、L、C，改变选频区域
通过改变金属单元厚度，改变电磁响应效果
通过改变金属单元结构参数，改变品质因数
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ω0
ω mp
ω0发生正负跳变时的角频 率值,即磁谐振角频率,ωmp 为磁等离子频率。
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D
电容 C
电感L 电阻R
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奇异介质
人工电磁媒质 当P<<λ时，可有效避免散射的影响
人们在制造奇异介质的时候， 模拟了电磁波与普通均匀介 质的作用。 普通均匀介质和电磁波作用 时，单个原子或分子系统受 到电磁波的作用，整个电介 质的宏观电磁响应是各个微 观系统响应平均化的结果。 于是，人们设想将奇异介质 也设计成这样的均匀等效结 构。
谐 振 单 元
金 属
介质
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重 要
趋 肤 效 应
电场呈指数衰减
E=1/e E0
趋肤深度
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2008 年，S. Ranjan 考察了不同金属厚度、同 样结构的EEMR 奇异介质的谐振响应
等效本构参数提取法
• 在对Metamaterial进行研究的过程中,逐渐 发展出的另外一种研究方法是等效本构参 数提取方法,即S参数法。该理论方法最初由 美国加州大学圣地亚哥分校D.R.smith等人 提出,可用于Rod结构、SRR结构以及Rod和 SRR的混合结构的一般分析。
• 在对Metamaterial研究的过程中,D.Schurig、 那么如何实现只对电场 J.J.Mock和D.R.Simth在2006年按照入射场 分量响应的 分量与Metamaterial结构的关系,提出 Metamaterial结构呢？ ELC(对入射场的电场分量响应)、MLC(对入 射场的磁场分量响应)与EMLC(对入射场的 电场分量和磁场分量都响应)的分类 • 在实际研究与实验的过程中，为了使分析 问题得到简化，很多设计人员均采用ELC结 构进行设计。
因此在加工样品的时候，至少要保证金属的厚 度大于在谐振频率处的趋肤深度的两倍。
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品质因数Q
串联RLC电路：
Q值的高低直接影 响着奇异介质的实 用性。
SRR等效长度 金属臂宽度
由此可见，在厚度小于2倍趋肤深度时，增加金属环宽度，可提高Q； 厚度大于2倍趋肤深度时，减小金属臂长度可增加Q； 不论什么情况，增加电导率可以提高Q。
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在自然界没 有此类介质 的情况下， 我们就自己 动手
负折射率
μ<0
ε<0
负磁导率
负介电常数
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负折射率介质
介 电 常 数
磁 导 率
等 效 谐 振
（1）负折射率奇异介质
负折射率奇异介质的研究可 以说是奇异介质研究的起源。 在此基础上，科学家们不断 构想，不断创新，研制出很 多其他类型的奇异介质。时 至今日，奇异介质的研究已 远远超出了负折射率的研究， 形成庞大的人工电磁媒质体 系。
起 源
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air
material
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真空
水（液体）
介质
玻璃
奇异介质
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ε
微 观 结 构 普 通 介 质
自然界仍未发现
负 折 射 率 电 浆 介 质
μ
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斯奈尔定律
一般介质遵守斯奈尔定律
逆斯奈尔定律
逆斯奈尔定律需要认 为设计结构，不是介 质自身具备
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斯奈尔定律
当电磁波以任意角度入射到不同媒质分界面上时 会发生反射和折射,满足电磁波的反射与折射定律, 即斯奈尔反射与折射定律,其中,反射定律可描述为 电磁波的入射角等于反射角,折射定律满足如下关 系：
P
P
周期化排列
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一般来说，奇异介质的周期P 至少要大于工作波长 λ 的四分之一，这便是等效均匀假设成立的前提条件。 该条件不仅是奇异介质与表面等离子体激元器件和光 子晶体器件的主要差别，也是判断奇异介质等效参数 是否有意义的根本条件。因此广义上电磁奇异介质的 定义为：电磁奇异介质是一种人为设计制造的均质等 效电磁材料，他们具有一些自然界材料不具备的电磁 特性。
(2)电激发磁响应奇异 介质
LC 谐振的电流分布（a）磁场 分布（b）
SRR 环（a）及其等效串联 RLC 回路（b）
其谐振频 率为：
(3)主动式奇异介质
基于超导体的温控太赫兹主 动奇异介质
串联 RLC 电路 Q 值 的的表达式为：
YBa2Cu3O7,YBCO 分子 结构图
297 K 和 85 K 下奇异介质的透射 谱
复合型奇异介质频谱随光照的 变化
复合型奇异介质相位谱随光 照的变化
基于Metamaterial在THz波段 实现单谐振和多谐振
一、如何分析设计Metamaterial结构
• 1 等效电路理论 • 2 等效本构参数提取法（S参数法）
Metamaterial的等效电路理论研究
• 由Duke大学的D.Schurig等人首次提出。 • 下图为D.Schurig等人提出的Metamaterial的 结构单元及其等效电路图
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负磁导率的产生
英国科学家J.B.Pendry等人在提出能够产生负 介电常数的金属棒阵列结构基础上，2002年, 又提出了能够在某些频段实现负磁导率特性 的开口环谐振器 两个 开口 开口 环排 列
奇异介质的种类很多，设计方 法也不尽相同，定义虽然模糊， 但是目前最广为接受的一个
几种太赫兹奇异介质
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太赫兹奇异介质分类
负折射率奇异介质
电激发磁响应介质
大 致 分 类
主动式奇异介质
电磁感应透射奇异介质
手征奇异介质
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负折射率奇异介质中，渔网式被广为应用。 2006 年，G. D olling等人用渔（Fishnet） 结构在光波段实现了负折射率。Fishnet 结构的特点是在一层电介质的正反两面 有位臵和形状相对应的金属阵列，其优 点是正入射使用，这为样品的加工和应 用都提供了方便。2009 年，加州大学伯 克利分校的张翔小组利用堆垒的 Fishnet 结构在光波段制作出了 3 维立体的负折 射率奇异介质。
Hale Waihona Puke Fishnet 负折射率奇异介质
Fishnet 结构的特点是在很薄（小于电介质中工作波长 的四分之一）的电介质的两面上制作对应的金属结构。 其基本单元为最简单的线段对，入射光的方向为垂直于 奇异介质表面，其中磁场的方向垂直于线段。
介 质 层
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超导 EEMR 奇异介质时域信号随温度的变 化
YBCO 奇异介质透射谱中LC 谐振随温度的变 化
YBCO 奇异介质透射谱中四偶极子谐振随温度 的变化
YBCO 奇异介质两种谐振随温 度的变化
不同温度下的相 位谱
不同温度下的相 位谱
光控太赫兹主动式奇异介质
复合型奇异介质的单元图样。金 色为铝质 SRR 阵列，灰色为硅 层，蓝色为宝石基底
生活中常见的等离子体有很多，包括火焰，闪电， 包括金属，溶液都是。因此，我们可以通过调整 等离子体的频率控制可以产生负介电常数的电磁 波频带范围。
英国科学家J.B.Pendry勿等人于1996年提出了一种 以一定间距周期排列的金属棒阵列结构,该结构 能够在一定的频段内产生负介电常数的电磁响应。 这种栅格的低频等离子体频率大大的降低到了微 波段，而且可由金属线的结构决定。栅格的响应 可以用宏观化的等效介电常数εeff 来描述，而 且在很宽的频谱范围内其值小于零。
逆磁性，μ<0；
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LC谐振
俯视图 侧视图
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一般来说，电谐振的频谱宽度远远大于磁谐振，所 以负折射率的频谱位臵和宽度主要决定于磁谐振。 磁谐振中的L,C1，C2分别为：
负折射率介质
ki
θi
θf
ε>0
μ>0
θt
ε <0
μ<0
kt
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当两种媒质的ε和μ产都大于0时,电磁波的入 射方向和折射方向位于法线的两侧,满足 Snen定律,且，n1，n2同号,即均为正； 当两种媒质的ε和μ产都小于0时,电磁波的入 射方向和折射方向位于法线的同侧,满足逆 Snen定律,且，n1，n2异号,即n1为正n2为负；
金 属 厚 度
品 质 因 数
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负介电常数的产生
对负介电常数的研究可追溯到对等离子体的研究, 早在该类研究中,研究人员就发现了负介电常数。 在等离子体中,当入射波频率低于等离子体频率时, 等离子体的介电常数为负数。
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其中,只和尽分别为折射角和入射角k i和kt 分别为入射波的波矢量和透射波的波矢量, 伪和、分别为两种媒质的折射率。
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一般介质
ki θi θf
ε>0
μ>0
ε>0
μ>0
θt
kt
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H
E
K
侧 面
电流谐振---谐振频段ε<0；
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ω0
ω mp
ω0发生正负跳变时的角频 率值,即磁谐振角频率,ωmp 为磁等离子频率。
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H
E
K
侧 面
电流谐振---谐振频段ε<0；
太赫兹奇异介质研究报告
Terahertz metamaterial Research Report
陈勃昊 顾超 刘政罡 肖克楠
什么是奇异介质？
太 赫 兹 奇 异 介 质
几种太赫兹奇异介质原理 太赫兹奇异介质单、多谐设计
太赫兹奇异介质器件 太赫兹奇异介质发展现状与展望
什么是奇异介质？
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