特异表面的异常折射特性研究分析论文

特异材料自2001年被D.R.Smith研究组实验验证以来，由于其奇特的物理特性和重要的应用价值而受到了广泛的关注。特异材料作为一种人工复合微结构材料，可通过调节结构单元的参数，实现任意调控电磁波的目的，如负折射,电磁隐身、超强荆合、共振隧穿、亚波长成像等而这些物理现象通常是用正常材料无法实现的。近几年，为了减少损耗提高特异材料的工作效率，人们提出了一种二维平面阵列式特异材料，由于其厚度远小于工作波长，因此被称为特异表面。Camass研究组通过对结构单元的精心设计，可实现波束传播方向的任意调控，从而改写了斯涅尔折射定律;周磊研究组利用特异表面将传播波转化为表面波， S.Zhang研究组设计了三维全息图和偏振相关的透镜;另外还有一些波带片等光学器件的应用研究。特异表面的这些物理特性的理论依据是人射电磁波与结构单元的共振机制，从而能够在亚波长尺度对人射电磁波进行调制，实现对波束的任意裁剪和整形，与最初的特异材料相比较，这种超薄二维阵列结构材料，不仅能够实现负折射等奇特的物理现象，还具有体积小、加工简便、性能稳定的特点，在实际应用中具有巨大的发展潜力。

特异表面的物理特性由结构单元的几何参数、材质和周期决定，因而研究各种不同的结构单元对于实际应用具有重要的价值。本文设计了一个偏振选择特异表面，采用FDTD算法对比研究了偏振和相位分布对电磁波透射电场的影响和变化规律。

1普遍情况下的斯涅尔折射定律

根据天线理论，当电磁波照射到金属结构上时，金属内部的自由电子会受外界电场影响产生共振电磁场，该电磁场相对于人射电磁波有一定的相位延迟和响应效率。当金属结构的尺寸小于响应波长时，可近似看作金属结构对人射电磁波进行了振幅和相位调制。若将相位延迟或响应效率按照一定的规律排列，则可实现对光束传播方向和波矢的定量调控。由于这种共振响应在传播方向上可做到超薄，因此原折射定律需要改写为普遍情况下的折射定律:可知，透射光的传播方向或波前是由各点的相位延迟分布决定的，因此通过改变相位分布，则可实现波束的调控。

特异表面的结构单元对电磁场的响应特性与人射波的偏振、人射角等因素有关。对于圆偏振光而言，其垂直透射偏振的相位与结构单元的方位角有关，该相位被称为Berry相位。依据此理论设计了金属环和金属棒的组合结构单元:其中，金属环的半径和宽度为:金属棒的长度和宽度改变过金属棒的方位角可实现透射垂直偏振的相位变化量，且相位变化的正负受人射光的旋向控制。采用圆环结构，有助于减少各结构单元之间的藕合。

2透射电场分布情况分析

为了对比相位分布结构和人射光偏振态对透射波电场分布的调制规律，分别采用5个结构4个结构单元实现的相位延迟，采用不同的人射圆偏振光，分别观察透射光的传播方向和电场分布情况。

复合结构周期，当人射光为左旋圆偏振光(右旋圆偏振光)，改变结构单元的方位角，与水平方向的夹角依次递增中左旋圆偏振光自上而下，垂直人射到界面处，受特异表面内结构单元的相位调制，共振产生新的电磁波，新电磁波包括向上和向下传播的分量，向上部分与反射波叠加到一起形成杂乱的干涉场，而透射部分受原场的影响小，其传播特性可定量控制，方向发上了改变。同样是利用该特异表面，换用右旋圆偏振光照射。

3结论

本文提出了一种偏振选择特异表面，当人射光的偏振状态不同是，其透射垂直偏振态分量的折射角相反;通过调节相位变化梯度，得到极限情况下最大折射角。研究结果可用于设计偏振选择表面和定量调控折射角度。

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