以纳米晶掺杂复合体系为例，研究该类多组分光学材料的有效介电系数随复合体系结构和组分介电系数的变化，进而分析有效介质理论的适用条件。假定纳米晶被周期性掺杂到背景晶体中，且均为各向同性材料。借助转移矩阵理论研究发现，当纳米晶和背景晶体的介电系数相差较大时，有效介电系数会表现出波长依赖性。此外，发现复合体系在其光学能隙处没有有效介电系数，说明此时基于等效介质思想的有效介质理论均不适合描述复合体系的光学性质，这是因为在物理上均一的光学材料无法形成光学能隙。
表面光学 光学超材料 转移矩阵理论 有效介质理论 有效介电系数 复合体系
深圳大学物理与光电工程学院，广东 深圳 518061
从理论上提出了一种由黑磷/介质多层结构包覆的等离子体波导。利用MATLAB数值求解该波导的色散方程，进而仿真出波导的有效折射率、传播长度、趋肤深度及品质因数等性能参数曲线。由仿真曲线可知，波导的性能与黑磷/介质多层结构中的电子掺杂率正相关，与单元层中介质层厚度负相关。与同类型金属/介质多层结构波导的性能比较后可知，黑磷/介质多层结构波导在中红外及远红外波段具更大的传播长度、更小的趋肤深度及更大的品质因数。该波导可调谐且性能优良。
材料 波导 黑磷/介质多层结构 可调谐性 电子掺杂率 有效介电常数 激光与光电子学进展
2021, 58(23): 2316005
Author Affiliations
Abstract
Institute of Electromagnetics and Acoustics and Key Laboratory of Electromagnetic Wave Science and Detection Technology, Xiamen University, Xiamen 361005, China
Effective medium theory is a powerful tool to solve various problems for achieving multifarious functionalities and applications. In this article, we present a concise empirical formula about effective permittivity of checkboard structures for different directions. To verify our empirical formula, we perform simulations of checkboard periodic structures in squares, rectangles, and sectors in two dimensions. Our results show that the formula is valid in a large range of parameters. This work provides a new way to understand and design composite materials, which might lead to further optical applications in transformation optics.
effective medium theory checkboard structures effective permittivity Chinese Optics Letters
2020, 18(7): 072401
理论分析了单层银纳米颗粒及其复合超材料的电磁特性，并采用MATLAB数值计算和CST模拟对理论进行了验证.结果显示: 4.75 nm银颗粒所形成的单层阵列的数值和模拟结果都有Lorentz共振效应出现，模拟结果相对于数值计算有红移现象，且有微弱的磁共振效应.进一步对采用4.75 nm颗粒复合而成的100 nm大颗粒模拟，结果表明: 在800~1 000 nm区间共振得到负的实有效介电常量、负的实有效磁导率和负的折射率，说明100 nm复合球形颗粒具有很强的磁共振效应，与理论分析相符.
银纳米颗粒 超材料 有效介电常量 有效磁导率 负折射率 Silver nano-particles Metamaterials Effective permittivity Effective permeability Negative refraction index
1 空军工程大学 理学院 数理系， 陕西 西安 710051
2 西安交通大学 电子陶瓷与器件教育部重点实验室， 陕西 西安 710049
提出了一种构建超材料带通频率选择表面的新方法，该方法通过调节单元结构的等效介电常数实现.金属丝阵列在等离子频率以下等效介电常数为负，产生传输禁带，在金属丝阵列中加入介电常数符合Lorentz模型的短金属线结构，可得到一维带通频率选择表面，理论分析和仿真计算充分验证了这种方法的可行性.基于这种方法，将一维超材料频率选择表面单元拓展设计为二维对称结构，实现了一种宽入射角、极化无关的频率选择表面，最后加工了两个样品对基于等效介质理论的频率选择表面设计方法进行了实验验证.这种设计方法不必考虑常规频率选择表面所涉及的复杂计算和多参数优化等问题，拓展了频率选择表面的设计思路，对于THz频段频率选择表面的设计，及多通带、可调、小型化频率选择表面都具有借鉴意义.
频率选择表面 极化无关 超材料 等效介电常数 frequency selective surface polarization-independent metamaterial effective permittivity
为克服经典理论不适合计算高占空比复合材料的情况，提出了一种利用等效电容计算复合材料的有效介电常数的方法。对于颗粒弥散型复合材料，将其看成是电容器内的填充介质。通过求解电容器的等效电容，进一步导出复合材料有效介电常数的计算公式。将此模型与MG模型以及EMA模型对比，其计算结果非常接近，表明这种方法原理正确、适应性强，并且在高占空比的时候与文献给出的实验值吻合得更好。
复合材料 等效电容 有效介电常数 composite materials equivalent capacitance effective permittivity
为解决化学反应溶液腐蚀测量探头的问题，提出了一种能实现宽带在线测量且测量探头不直接接触化学反应溶液的测量装置，并用这种测量装置采用全波仿真软件得到了用于重构溶液等效介电系数的散射参量。同时在假定2%测量误差的情况下，采用遗传算法反演溶液的等效介电系数。化学反应溶液等效介电系数的重构结果与文献值吻合较好，其相对误差小于5%，表明该测量装置在化学反应溶液介电系数的宽带在线测量中具有明显优势。
等效介电系数 同轴线 遗传算法 在线测量 重构 effective permittivity coaxial line genetic algorithm online measurement reconstruction
提出了一种双开口谐振环结构的新型双负介质单元模型,该模型集电、磁谐振于一体,结构简单。用时域有限差分法和CST软件对该新型结构进行了模拟对比,并对其物理机理进行了分析,解释了其双负效应发生的原因。从电磁波理论出发,导出了波导中双负介质参数的反演公式,推广了通常提取介质参数的NRW方法,并由此提取了新型双负介质的等效电磁参数。结果表明:在频率10.3 GHz附近其等效介电常数和等效磁导率的实部同时为负值,确定了其双负效应的存在。
双负介质 时域有限差分 等效介电常数 等效磁导率 谐振 double negative medium FDTD effective permittivity effective permeability resonance
哈尔滨工程大学理学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
研究了嵌入在非线性介质中的、由金属线和谐振环构成的具有二维周期性结构的异质材料的介电常数的非线性, 计算得到了该有效介电常数实部和虚部对外场变化的非线性响应。结果表明, 这种异质材料介电常数的实部对外磁场的响应具有回滞效应; 在一定条件下, 这种结构的属性可在右手材料、左手材料、电单负材料与磁单负材料之间转换, 且这种转换可用适当选择在某些特定频率范围内的外磁场强度的方式控制。这种现象可能被用于实现微波或光学开关器件。
非线性光学 回滞效应 有效介电常数 异质材料
