二維分支面表面電磁波仿真研究

二維分支面表面電磁波仿真研究

表面微波是指沿兩個媒質的交叉點傳播的聲波，在垂直于交叉點方向的傳播規(guī)律中隨著指數(shù)法減小，其傳播速度小于自由空間的波速。傳輸表面波的結構是一種慢波結構。表面電磁波的能量局限于分界面附近,局域和色散特性使其在超分辨力成像,以及亞波長光波導等方面有重要的應用價值。超常材料是一種新型的人工電磁材料,它能實現(xiàn)介電常數(shù)ε和磁導率μ任意取值。表面電磁波在超材料組成的分界面上表現(xiàn)出許多新的性質。在左手材料和右手材料組成的分界面上,左手表面電磁波與左手材料中的電磁波有類似的傳播特性,例如,逆Cerenkov效應、逆Doppler效應、反常Goos-H?nchen位移、負折射率等。超材料分界面上的表面波分為左手表面波和右手表面波,相應的分界面分為左手分界面和右手分界面。左手表面電磁波與左手材料的散射電磁波具有類似的性質。在金屬表面上傳播的表面波為表面等離子體激元(SPPs),介質如二氧化硅,碳化硅等組成的分界面上的表面電磁波為表面聲子激元,目前,對于表面等離子體激元的研究引起了學術界的廣泛關注。表面電磁波的激發(fā)主要有光柵和棱鏡耦合兩種方式。表面電磁波存在于兩種介質的分界面上,它的存在主要取決于構成分界面的兩種材料的本構參數(shù)。1添加相對磁導率和相對介電常數(shù)以TE波為例,研究二維分界面上的表面電磁波,如圖1所示。如圖1所示。分界面兩側的媒質分別用“+”(媒質1)和“-”(媒質2)標記,在分界面上的任意一點建立坐標系,沿分界面,波的傳播方向為x軸,垂直于分界面方向為z軸,y方向垂直于紙面向外。假設媒質1和2都是均勻、各向同性、無耗的理想電介質,電磁參數(shù)分別為媒質1中相對磁導率和相對介電常數(shù)分別為μ+和ε+。媒質2中相對磁導率和相對介電常數(shù)分別為μ-和ε-,文中本構參數(shù)在沒有特別說明的情況下均為相對介電常數(shù)和相對磁導率。假設媒質1和2中的電場強度表達式分別為E+=E0exp(-ik+x·x-κ+·z)y和E-=E0exp(-ik-x·x+κ-·z)y,則有根據(jù)Maxwell方程×E=-iωμH得到兩種媒質中的磁場強度x分量表達式為利用邊界條件,在z=0的邊界上,電場強度切向分量連續(xù),磁場強度切向分量連續(xù),由此得設k+x=k-x=kx,聯(lián)立式(1)和式(3)得從式(4)可以看出,表面電磁波存在的必要條件為kx2>0,κ->0,κ+>0,即由坡印亭定理分別得到媒質1和媒質2中的坡印亭矢量為平均能流密度為表面電磁波總的能流密度為在總能流的表達式中,令,可得:(1)如果C與μ+同號,則k+與St同號,即表面電磁波的總能流方向與波矢方向相同,為右手表面電磁波,對應的分界面稱為右手分界面。(2)如果C與μ+異號,則k+與St異號,即表面電磁波的總能流方向與波矢方向相反,為左手表面電磁波,對應的分界面稱為左手分界面。2維界面表面聲波利用Comsol軟件對表面電磁波的衰減進行仿真,在二維平面分界面上表面電磁波沿方向傳播,利用波導把TE或TM電磁波導入至兩種介質的分界面上,兩種介質組成的分界面滿足表面電磁波的存在條件,從分界面上可以看到表面電磁波,如果兩種媒質均為理想的無耗媒質,表面電磁波在傳播方向上的場幅度將不會變化。如圖2所示,為利用Comsol軟件仿真得到二維分界面上的表面電磁波。圖2(a)為左手材料與右手材料組成的分界面(μ+=1,ε+=1;μ-=-0.8,ε-=-2.5)。圖2(b)為左手材料與負介電常數(shù)材料組成的分界面(μ+=1,ε+=-1;μ-=-0.76,ε-=-0.9)。圖2(c)為右手材料與負磁導率材料組成的分界面(μ+=1,ε+=1;μ-=-2,ε-=2)。圖2(d)為負介電常數(shù)材料與負磁導率材料組成的分界面(μ+=2,ε+=-2.5;μ-=-1,ε-=2)。2表面能量分配的模擬表面電磁波沿兩種媒質的分界面?zhèn)鞑?在由多種媒質組成的多個分界面結構中,當一束表面電磁波沿其中一個分界面?zhèn)鞑ブ炼鄠€分界面的交點處時,表面電磁波如何進行傳播是一個值得研究的問題。在理論上,如果這些分界面均滿足表面電磁波的存在條件,那么在其他幾個分界面上都會存在表面電磁波的傳播。通過理論研究和軟件仿真發(fā)現(xiàn),在其他的分界面上確實出現(xiàn)了表面電磁波。因此,證實了上述的分析,得出如下結論:在由多個分界面組成的結構中,當表面電磁波沿其中一個分界面?zhèn)鞑ブ炼鄠€分界面的交匯點時,除部分能量沿原分界面反射外,其余能量分流沿其他幾個分界面?zhèn)鞑?從而達到能量分配的目的如圖所示為利用軟件仿真得到的能量分配效果圖。在由4個分界面組成的結構中,利用波導把電磁波引入到其中的一個分界面上形成表面電磁波,傳播至4個分界面交匯點處,能量分成3部分沿其他3個分界面?zhèn)鞑?。在圖3中,左上和右下部分為左手材料,左下和右上部分為右手材料。3密度的加大以及表面