关于超材?#31995;模?#20320;来挑战一下,反正小编是撤了……

2018年3月5日,央视播出了第八集《大国重器》,节目首次披露,我国成为了世界上首个实现超材料(Metamaterial)量产的国家。 超材料, 是一种人工复合结构,通过调节其结构的排布方式以及尺寸大小,可以获得自然界常规材料所不具备的独特的电磁特性,如:负折射率,电磁隐身和强旋光性?#21462;?/p>


图1  《光学学报?#36820;?期封面图

非线性超材?#31995;?#21457;展激发了人们对超材料中电磁波传输的兴趣,为此,人们对非线性超材料中的调制不稳定性及各种时间和空间孤子进行了深入研究,且研究表明,超材料由于电磁参数的可调节特性存在着丰富的孤立波。

但是,超材料通常由金属-电介?#39318;?#25104;的共振单元周期排列而成,这种共振结构具有较高损?#27169;?#20250;导致电磁波在其中传输时产生明显的衰减和失真,目前的报道中都没有考虑超材?#31995;?#22686;益或损耗。

然而,从推导超材料中电磁脉冲传输的理论模型的过程可知,超材料中包含增益或损耗的理论模型远?#29004;?#20110;不含增益或损耗的理论模型,这是因为反映超材料损耗或增益的有效介电常数和磁导率的虚部?#38405;?#22411;?#21335;咝院?#38750;线性的系数都有直接的影响,由此引起对电磁波传输的非线性吸收,这意味着线性增益/损耗和非线性吸收会直接影响超材料中孤子的形成和传输。

为此,山西大学杨荣草教授课题组采用Hirota方法研究了带?#24615;?#30410;/损耗超材料中的啁啾暗孤子,并基于Drude模型,分析了孤子在?#29004;?#30005;和/或磁极化非线性超材料中的形成条件,存在区域和传输特性。

研究发现,当线性增益和非线性吸收平衡时,?#29004;?#30005;和/或磁极化非线性超材料中存在两类精?#36820;?#31354;间啁啾暗孤子解:暗孤子I(DSI)和暗孤子II(DSII)。结合超材料色散和非线性特性,发现DSI存在于五种非线性电极化和磁极化,,,,的超材料负折射区,DSII存在于四?#22336;?#32447;性电极化和磁极化,,的超材料正折射区,如图2所示。


图2  当时,关于归一化?#24503;?img src="data:image/png;base64,R0lGODlhFAASAHcAMSH+GlNvZnR3YXJlOiBNaWNyb3NvZnQgT2ZmaWNlACH5BAEAAAAALAMABQANAAgAhQAAAAAAAB0AAAAAHR0AMgAAMwAdMgAcSAAzWh0zWh1GbDIdADMAADQ0NDVbbjNbgEgdHUgcAFozHVozAFszM0YzRkhbbl1/f0huf1luf2xGHX9uWX9uSH9/XWaIiIBbM4iIZgECAwECAwECAwECAwECAwECAwECAwECAwECAwECAwECAwECAwECAwECAwECAwECAwECAwECAwECAwECAwECAwECAwECAwECAwECAwECAwECAwECAwECAwECAwECAwY1QABgESgajQiABUAROj9OocQJcRKcmmdB+NkKGQpnGDBJCgXOihO9FjaFkShAEjAAPoKBPAgAOw==" style="height:18px; width:20px" />的变化曲线。(a)和(b)为极化情况;(c)和(d)为极化情况。

存在于负折射区的DSI,传输过程中速度逐渐增加,而存在于正折射区的DSII,传输过程中速度逐渐减慢。DSI具有正的啁啾,而DSII具有负啁啾,DSII的波束宽度远小于DSI的波束宽度。DSI和DSII的背景幅度和半高全宽由其系统模型的参数决定,因此与入射波的?#24503;?#30452;接相关这些研究结果表明,通过选择?#29004;?#30340;非线性超材料和入射电磁波?#24503;?#21487;以控制啁啾暗孤子的传输特性,对促进电磁波在非线性超材料中传输的理论和实验研究具有重要的意义。

该文章发表在《光学学报?#36820;?9卷第2期,且被选为当期的封面文章,文章内容点击查看:

高斐,杨荣草,贾鹤萍,田晋平. 超材料中精?#36820;?#31354;间啁啾暗孤子解及其传输特性[J]. 光学学报, 2019, 39(2): 0219001