電磁感應透明超介質：理論、設計及應用（簡體書）

本書先重點介紹了EIT超介質的產生背景、基本特性、發展現狀和應用領域；然后詳細介紹了金屬結構EIT超介質的研究方法、建模方法、計算仿真、實驗驗證以及在改善和優化微波器件性能方面的應用等內容；后對全介質EIT超介質的構造方法、仿真驗證以及在太赫茲領域的應用情況做了全面的介紹。本書力求以簡單易讀的語言來描述相關知識點，將理論與實踐、仿真與實驗相結合，把歷年來所積累的相關研究成果展現出來，為在普及EIT超介質基本理論、培養相關人才、促進EIT超介質研究領域在的蓬勃發展作出自己相應的貢獻。本書可作為電子信息工程、通信工程、電磁場與電磁波、物理等專業碩士研究生、博士研究生的參考教材，也可作為高校教師、電磁工程技術人員、研究人員和廣大科技工作者的參考書。

前言

近年來，在超介質中模擬實現電磁感應透明（Electromagnetically Induced Transparence, EIT）現像日益受到電磁學、物理學、材料學等領域的關注，也是目前超介質研究領域的熱點問題之一。因此，作者希望能夠基於自己多年在該領域從事科學研究積累的成果，通過本書向廣大讀者介紹EIT超介質的發展現狀以及應用領域等相關知識。

EIT超介質的概念最早是由S.Zhang等在2008年提出的，他們指出在超介質結構單元中加入一種特殊的諧振結構（即暗態諧振單元）後可以模擬實現原子系統中的EIT效應，並將這種具有模擬EIT效應的超介質稱為EIT超介質。2009年，Tassin等通過在經典電磁學領域模擬原子系統中的EIT效應在太赫茲波段實現了一種具有極其陡峭諧振特性的EIT超介質，他們的研究成果發表在美國Physical Review Letter上，並很快得到了關注。EIT超介質由於具有尖銳、高度透明、強色散的頻譜特性，這使得它的應用範圍非常廣泛，在慢光器件、高靈敏度傳感器件，低損耗微波毫米波器件、太赫茲器件等新型器件的設計中具有廣泛的應用前景。可以預見，EIT超介質理論和技術的發展將對未來的科技進步、社會發展產生重要的影響。

雖然EIT超介質的相關研究已經取得了很大的進展，但是目前有關該方面的專著幾乎沒有，這給我國學者在該領域的研究和交流帶來了一定的阻力，不利於該領域在我國的長遠發展。因此，為了縮短國內外研究水平的差距，讓更多對EIT超介質領域感興趣的學者能夠參與到相關領域的研究中來，將超介質中EIT效應的產生物理機制、構造方法及其在改善和優化功能器件與天線設計中的應用等匯集成本書，力求為我國在EIT超介質領域的發展起到一定的促進作用。本書所展現的相關研究成果不僅有助於人們更加深入地理解EIT超介質電磁激發機理，而且對推動EIT超介質向更深層次發展具有重要的科學研究意義和實際價值。

 

 

 

 

 

本書分為8章。第1章概述了超介質的概念、EIT超介質的產生背景，詳細介紹了EIT超介質研究領域的發展歷史以及全介質超介質的電磁特性和應用領域等。第2章針對超介質中EIT效應的電磁激發機理展開研究，從不同角度建立了EIT超介質結構吸收功率解析模型，深入分析了超介質中EIT效應的產生原因和影響因素，探索了EIT超介質的工作機制和激發機理，並利用MATLAB仿真工具對所建立的解析模型進行了仿真驗證與分析。第3章針對微波段EIT超介質構造方法進行研究，在EIT超介質電磁機理研究基礎上，提出了具有優良電磁特性的6種不同類型EIT超介質構造方法，即微波段多通帶EIT超介質、微波段磁性EIT超介質、微帶線耦合型EIT超介質、環偶極子誘導型低損耗EIT超介質、極化無關型EIT超介質和微波段可調諧EIT超介質。第4章利用EIT效應的高透波率和強色散特性在微波段設計了一種基於EIT超介質的極化變換器。所設計的超介質結構對於x極化和y極化入射波，在9.2GHz的傳輸幅度相等（約0.72），傳輸相位差約為90°，因而高度透明的線—圓極化變換能夠應用EIT超介質結構來實現。此外，基於EIT超介質的極化變換器厚度超薄，僅為0.017λ，比目前已報導的極化變換器厚度減少了2/3。第5章基於EIT效應的低損耗、強色散特性，研究了EIT超介質的窄帶變極化特性。所設計的EIT超介質結構能在一個極窄頻率間隔內（相對帶寬1.3%），通過改變工作頻率實現線—圓極化、線—橢圓極化和線—線極化之間的切換。第6章通過平衡亮、暗諧振器的損耗以及它們之間的適度耦合，在EIT系統中實現了具有PT（ParityTime）相變的相干完美吸收器（Coherent Perfect Absorption, CPA）。所設計的結構在平衡增益和損耗的過程中只涉及無源材料，無須使用增益材料。此外，通過控制兩個入射波之間的相位差，可以動態地調製峰值頻率下CPA的吸收率。第7章將EIT效應引入全介質超介質構造中，研究較高頻段性能優良的全介質EIT超介質構造方法，即微波段低損耗全介質EIT超介質、光頻段低損耗全介質EIT超介質、極化無關和入射角不敏感的全介質EIT超介質。第8章基於Mie式EIT效應，實現了基於石墨烯的太赫茲調諧器，通過改變石墨烯的費米能級，能夠實現透明窗峰值頻率和群指數的動態調諧；利用全介質結構之間的電磁耦合可以實現x極化和y極化波入射時的EIT效應，進而利用兩個極化入射時低損耗、強色散的Mie式EIT效應實現低損耗的極化控制。

本書的研究工作得到了哈爾濱工業大學吳群、孟繁義、傅佳輝的悉心指導和幫助。本書由齊齊哈爾大學朱磊，哈爾濱工業大學吳群、孟繁義、傅佳輝共同完成。朱磊編寫全部書稿，吳群、孟繁義、傅佳輝完成全書審校工作。本書在編寫過程中得到了各位同行專家的關心和指導，書稿得到充實和完善，在此深表謝意。由於作者學識和水平有限，書中難免會出現疏漏和不足，懇請廣大讀者提出寶貴意見。

著者

2019年3月

 

目錄
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第1章緒論
1．1超介質概述
1．2超介質模擬電磁感應透明現象
1．3EIT超介質的發展歷程
1．4全介質超介質
第2章EIT超介質電磁理論基礎
2．1引言
2．2基于機械振子模型的EIT超介質電磁理論
2．2．1基于雙粒子機械模型的EIT超介質亮暗態
諧振理論
2．2．2基于三粒子機械模型的EIT超介質亮暗態
諧振理論
2．3基于等效電路模型的EIT超介質電磁理論
2．3．1基于雙諧振回路的EIT超介質亮暗態
諧振理論
2．3．2基于三諧振回路的EIT超介質亮暗態
諧振理論
第3章EIT超介質設計、仿真優化與實驗驗證
3．1引言
3．2微波段多通帶EIT超介質的構造
3．2．1微波段多通帶EIT超介質機理
3．2．2多通帶EIT超介質單元結構的仿真與優化
3．2．3基于等效電路理論的多通帶EIT超介質
構造方法
3．3微波段磁性EIT超介質的構造
3．3．1磁性EIT超介質的單元結構
3．3．2基于磁耦合EIT效應的數值驗證
3．3．3基于“二粒子”模型的EIT效應驗證
3．4微帶線耦合型EIT超介質的構造
3．4．1微帶線耦合型EIT超介質單元結構
3．4．2微帶線耦合型EIT超介質的實驗驗證
3．4．3EIT超介質加載常規介質時透明窗特性
3．5環偶極子誘導型低損耗EIT超介質的構造
3．5．1環偶極子誘導型低損耗EIT超介質
單元結構
3．5．2環偶極子誘導型低損耗EIT效應實驗驗證
3．5．3光頻段環偶極子誘導型低損耗EIT效應
3．6極化無關型EIT超介質的構造
3．6．1極化無關型EIT超介質單元結構
3．6．2極化無關型EIT效應的實驗驗證
3．6．3極化無關型EIT超介質的慢光特性和
傳感特性
3．7微波段可調諧EIT超介質的構造
3．7．1微波段可調諧EIT超介質機理
3．7．2可調諧EIT超介質的單元結構
3．7．3可調諧EIT效應的數值驗證
第4章EIT超介質微波極化變換器
4．1引言
4．2金屬鏈EIT超介質的構造
4．2．1理論基礎
4．2．2金屬鏈EIT超介質的構造
4．3EIT超介質微波極化變換器
第5章EIT超介質窄帶變極化特性
5．1引言
5．2雙SRR EIT超介質的構造與驗證
5．3EIT超介質的窄帶變極化特性
第6章EIT超介質相干完美吸收器
6．1引言
6．2EIT超介質的構造
6．2．1理論基礎
6．2．2EIT超介質的構造
6．3EIT超介質相干完美吸收器概述
第7章全介質EIT超介質仿真、設計與驗證
7．1引言
7．2微波段低損耗全介質EIT超介質的構造
7．2．1全介質EIT超介質單元結構
7．2．2全介質EIT效應的數值驗證
7．2．3全介質EIT效應的慢光特性
7．3光頻段低損耗全介質EIT超介質的構造
7．3．1光頻段全介質EIT超介質單元結構
7．3．2光頻段全介質EIT效應的數值驗證
7．3．3基于“二粒子”模型的EIT效應驗證
7．4極化無關和入射角不敏感的全介質EIT超介質構造
7．4．1全介質EIT超介質的單元結構與仿真驗證
7．4．2基于“二粒子”模型全介質EIT效應的
數值驗證
7．4．3全介質EIT效應極化無關特性的仿真驗證
7．4．4全介質EIT超介質的慢光特性
第8章全介質EIT超介質太赫茲器件
8．1引言
8．2基于石墨烯/全介質的可調諧EIT超介質
8．2．1基于石墨烯的全介質EIT超介質單元結構
8．2．2基于石墨烯的全介質EIT效應的數值驗證
8．2．3入射角度不同時可調諧EIT效應的
數值驗證
8．3全介質EIT超介質極化變換器
8．3．1全介質極化變換器的單元結構
8．3．2全介質極化變換器的數值驗證
參考文獻

第5章EIT超介質窄帶變極化特性

5．1引言

超介質中的EIT效應由於具有低損耗、強色散等特性，近年來在電磁領域得到了廣泛關注。科研工作者常利用EIT超介質實現慢光傳播、高敏感度傳感器、標尺、電磁感應吸收、控制近場、極化變換等［17,22,40］。這些重要的應用能夠實現的關鍵在於EIT效應伴有陡峭、尖銳的相位色散，也就是說，EIT超介質具有獨特的相位特性。2012年，ABKhanikaev等指出，利用亮、暗態諧振元素之間的電容耦合可實現圓極化EIT效應，繼而實現四分之一波板［52］。因此，我們預見通過合理設計EIT超介質單元，在一個極窄頻率間隔內實現明顯的相位變化是可能的，這為實現具有窄帶變極化特性的超介質結構提供了更為有效的技術途徑。

隨著現代電子戰對保密通信、導彈防禦以及電子對抗領域的不斷重視，變極化技術成為軍事領域中的一個重要研究內容。在一些特殊領域(例如，防禦系統)，系統本身是窄帶的，而且天線系統也是固定的，因此期望設計一種具有極窄工作帶寬的極化控制結構，使得加載該結構的天線能在一個極窄工作頻帶內，實現不同極化狀態的切換。值得注意的是，現有的研究成果大多集中在寬頻帶極化控制，不能解決窄帶系統中的極化變換，而構造一種無源、便於實現的窄帶極化控制結構極大增加了設計難度。為了解決上述問題，本章基於EIT效應的強色散特性，以實現超窄帶極化控制為目標，研究了EIT超介質的窄帶變極化特性。首先，本章通過數值計算和仿真優化證實了由兩個SRR組成的平面超介質結構能夠模擬實現EIT效應。由EIT效應控制的強色散特性使得超介質結構能在一個極窄頻率間隔內實現不同極化狀態切換。本章提出的窄帶變極化方案，便於加工製造，且可通過縮比原則應用於更高頻段，為提高無線系統通信質量提供了一種新的方式。

 

 

 

 

5．2雙SRR EIT超介質的構造與驗證

變極化特性的實現原理是基於EIT效應的強色散特性。當超介質結構在同一頻率滿足下面標準［159］：

 

 

tx2=ty2(51)

arg(tx)－arg(ty)=90°(52)

 

 

那麼，該結構能夠實現線—圓極化變換。式中，tx和ty為x極化入射波和y極化入射波照射到超介質結構時，超介質的複數傳輸係數。arg(tx)和arg(ty)為x極化入射波和y極化入射波照射到超介質結構時，超介質複數傳輸係數的相位。

 

超介質結構除了要滿足上面的標準外，還需要具有陡峭尖銳的相位色散特徵，才能夠實現具有極窄工作帶寬的變極化特性。因此，用於構造EIT超介質的亮暗態諧振單元的非對稱程度越低越好，這樣EIT超介質就會具有更加陡峭尖銳的相位色散特性。本章構造的EIT超介質單元結構如圖51所示［177］，它由兩個SRR組成，兩個SRR結構除了底臂的長度不同之外，其他的幾何參數完全相同，因而該超介質結構的非對稱程度較低。SRR金屬材料為銅，其厚度為35μm，電導率為5．96×107 S/m。兩個SRR構造在相對介電常數為3．2的基板上，基板損耗角正切為0．001，厚度為1mm。超介質單元在x方向和y方向的周期為15mm。本章中的數值仿真是利用基於時域有限積分法的電磁仿真軟件CST Microwave Studio完成。

根據兩個SRR環的等效電路，可以得到SRR環的等效電感L為：

 

 

L≈μ0l2πln2lw+0．5(53)

 

 

SRR的等效電容C可由下式給出：

 

 

C=l×C0+H(54)

C0=ε0K(1－k2)K(k)(55)

 

 

式中： H為校正因子，與電磁場的邊緣效應有關；

K(o)為第一類完全橢圓積分，k=s/(s+2w)。

兩個SRR環之間的耦合電容Cc可由式(56)進行估算：

 

 

Cc=ε0εeAs(56)

 

式中： A為有效面積； s為臨近金屬條之間的間距。

根據式(53)~式(56)，能夠得到超介質結構透明窗中心頻率的分析設計公式：

 

 

 

利用式(57)，並利用電磁仿真軟件CST Microwave Studio進行仿真優化，能夠得到圖51中EIT超介質單元的幾何參數具體為： l1=12．5mm,l2=11mm,l3=6mm ,a=b=15mm,w=1mm,h=1mm,g1=1mm,g2=1．25mm。

 

 

 

圖51EIT超介質單元結構圖［177］

 

 

如圖51所示，EIT超介質單元是由兩個背對背SRR組成。其中，兩個SRR除了底臂長度不同外，其他幾何參數完全相同，這使得兩個SRR的環路電感不同，從而導致它們的諧振頻率不同。由於上面SRR(Top SRR, TSRR)底臂比下面SRR(Bottom SRR, BSRR)底臂的長度長，因而前者的諧振頻率低於後者的諧振頻率，但其品質因數Q不同——TSRR的Q值為1．0，BSRR的Q值為2．0。兩個SRR品質因數之所以不同是因為它們的輻射損耗不同。具體來說，諧振元素尺寸越大，輻射損耗越大，因而具有較長底臂TSRR具有更低Q值。相反，具有較短底臂BSRR貢獻的輻射損耗小，因而BSRR具有更高Q值。通過仔細調整SRR幾何尺寸，能夠獲得不同品質因數且頻譜相互重疊的兩個SRR。通過將上述兩個SRR組合到一起，形成如圖51所示的EIT超介質結構時，由於兩個SRR諧振結構散射電磁場之間的破壞性干涉，一個明顯的透明窗出現在傳輸譜中，如圖52(a)中實線所示。y極化入射時超介質結構的傳輸係數也被顯示在圖52(a)中，如虛線所示。從圖中可以看出，超介質結構在5．34GHz附近，對兩種極化入射電磁波顯示出高度透明狀態。

 

 

圖52EIT超介質在x極化和y極化入射時的傳輸係數和傳輸相位

 

(a) 超介質的傳輸係數； (b) 超介質的傳輸相位

 

 

 

當x極化和y極化電磁波照射到EIT超介質時，超介質傳輸相位的仿真結果如圖52(b)所示。從圖中可以看出，對於x極化入射波，透明窗中存在一個非常尖銳陡峭的相位色散(如實線所示)。而對於y極化入射波，超介質相位變化速度非常緩慢(如虛線所示)，這明顯不同於超介質結構在x極化入射時的情況。對於x極化和y極化入射波，超介質結構在一個極窄頻帶內相位變化速度明顯不同(如圖52中陰影區域所示)，這使得超介質結構能夠成為一個具有極窄工作帶寬的極化控制結構。

 

 

圖53EIT超介質表面電流分佈

 

(a)~(c)分別為超介質在頻率5．14GHz、5．34GHz、5．79GHz的表面電流分佈