二维分支面表面电磁波仿真研究

二维分支面表面电磁波仿真研究

表面微波是指沿两个媒质的交叉点传播的声波，在垂直于交叉点方向的传播规律中随着指数法减小，其传播速度小于自由空间的波速。传输表面波的结构是一种慢波结构。表面电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,以及亚波长光波导等方面有重要的应用价值。超常材料是一种新型的人工电磁材料,它能实现介电常数ε和磁导率μ任意取值。表面电磁波在超材料组成的分界面上表现出许多新的性质。在左手材料和右手材料组成的分界面上,左手表面电磁波与左手材料中的电磁波有类似的传播特性,例如,逆Cerenkov效应、逆Doppler效应、反常Goos-Hänchen位移、负折射率等。超材料分界面上的表面波分为左手表面波和右手表面波,相应的分界面分为左手分界面和右手分界面。左手表面电磁波与左手材料的散射电磁波具有类似的性质。在金属表面上传播的表面波为表面等离子体激元(SPPs),介质如二氧化硅,碳化硅等组成的分界面上的表面电磁波为表面声子激元,目前,对于表面等离子体激元的研究引起了学术界的广泛关注。表面电磁波的激发主要有光栅和棱镜耦合两种方式。表面电磁波存在于两种介质的分界面上,它的存在主要取决于构成分界面的两种材料的本构参数。1添加相对磁导率和相对介电常数以TE波为例,研究二维分界面上的表面电磁波,如图1所示。如图1所示。分界面两侧的媒质分别用“+”(媒质1)和“-”(媒质2)标记,在分界面上的任意一点建立坐标系,沿分界面,波的传播方向为x轴,垂直于分界面方向为z轴,y方向垂直于纸面向外。假设媒质1和2都是均匀、各向同性、无耗的理想电介质,电磁参数分别为媒质1中相对磁导率和相对介电常数分别为μ+和ε+。媒质2中相对磁导率和相对介电常数分别为μ-和ε-,文中本构参数在没有特别说明的情况下均为相对介电常数和相对磁导率。假设媒质1和2中的电场强度表达式分别为E+=E0exp(-ik+x·x-κ+·z)y和E-=E0exp(-ik-x·x+κ-·z)y,则有根据Maxwell方程×E=-iωμH得到两种媒质中的磁场强度x分量表达式为利用边界条件,在z=0的边界上,电场强度切向分量连续,磁场强度切向分量连续,由此得设k+x=k-x=kx,联立式(1)和式(3)得从式(4)可以看出,表面电磁波存在的必要条件为kx2>0,κ->0,κ+>0,即由坡印亭定理分别得到媒质1和媒质2中的坡印亭矢量为平均能流密度为表面电磁波总的能流密度为在总能流的表达式中,令,可得:(1)如果C与μ+同号,则k+与St同号,即表面电磁波的总能流方向与波矢方向相同,为右手表面电磁波,对应的分界面称为右手分界面。(2)如果C与μ+异号,则k+与St异号,即表面电磁波的总能流方向与波矢方向相反,为左手表面电磁波,对应的分界面称为左手分界面。2维界面表面声波利用Comsol软件对表面电磁波的衰减进行仿真,在二维平面分界面上表面电磁波沿方向传播,利用波导把TE或TM电磁波导入至两种介质的分界面上,两种介质组成的分界面满足表面电磁波的存在条件,从分界面上可以看到表面电磁波,如果两种媒质均为理想的无耗媒质,表面电磁波在传播方向上的场幅度将不会变化。如图2所示,为利用Comsol软件仿真得到二维分界面上的表面电磁波。图2(a)为左手材料与右手材料组成的分界面(μ+=1,ε+=1;μ-=-0.8,ε-=-2.5)。图2(b)为左手材料与负介电常数材料组成的分界面(μ+=1,ε+=-1;μ-=-0.76,ε-=-0.9)。图2(c)为右手材料与负磁导率材料组成的分界面(μ+=1,ε+=1;μ-=-2,ε-=2)。图2(d)为负介电常数材料与负磁导率材料组成的分界面(μ+=2,ε+=-2.5;μ-=-1,ε-=2)。2表面能量分配的模拟表面电磁波沿两种媒质的分界面传播,在由多种媒质组成的多个分界面结构中,当一束表面电磁波沿其中一个分界面传播至多个分界面的交点处时,表面电磁波如何进行传播是一个值得研究的问题。在理论上,如果这些分界面均满足表面电磁波的存在条件,那么在其他几个分界面上都会存在表面电磁波的传播。通过理论研究和软件仿真发现,在其他的分界面上确实出现了表面电磁波。因此,证实了上述的分析,得出如下结论:在由多个分界面组成的结构中,当表面电磁波沿其中一个分界面传播至多个分界面的交汇点时,除部分能量沿原分界面反射外,其余能量分流沿其他几个分界面传播,从而达到能量分配的目的如图所示为利用软件仿真得到的能量分配效果图。在由4个分界面组成的结构中,利用波导把电磁波引入到其中的一个分界面上形成表面电磁波,传播至4个分界面交汇点处,能量分成3部分沿其他3个分界面传播。在图3中,左上和右下部分为左手材料,左下和右上部分为右手材料。3密度的加大以及表面