手性超材料是一类结构特殊的超材料,利用手性超材料可以设计非对称传输器件,并且相比传统的实现方法,手性超材料具有易于实现小型化,无须外加磁场偏置等优点[1]。近些年,太赫兹电磁波由于在理论、实践等多学科都具有重要的研究价值和应用前景,从而受到了世界各国的广泛关注。超材料的出现为太赫兹功能器件,特别是非对称传输器件提供了可行性。但是,目前有关太赫兹非对称传输结构的研究主要集中在微波波段[2-5]。近年来,人们开始关注太赫兹波段的非对称传输[6-8]。但是目前已设计的结构往往频带较窄,不能满足太赫兹宽带通信的目的。为此,本章主要研究基于超材料的宽带非对称传输器。
假设人工电磁材料器件位于x Oy平面内,一束平面波沿+z方面垂直入射到人工电磁材料上,则入射波的电场可以表示为
其中,ω为电磁波的频率,k为波矢量,复数形式的i x和i y分别描述了入射波x、y分量的极化状态,则相应的透射波的电场表示为
假设平面波为相干波,则可以用广义琼斯矩阵来计算,而不需要用非相干光的穆勒矩阵进行分析。一般情况下,透射波t x一部分来源于入射波x极化分量的透射,另一部分由入射波y分量极化转换而来,可以表示为t x=T xxi x+T xyi y,同理可得到t y,于是可以得到[9]
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其中,T矩阵为
它是描述线极化电磁波的传输矩阵,也称作琼斯矩阵。为方便起见,用A、B、C、D分别来代替上述琼斯矩阵中的元素T ij,上标f、b分别表示正向传输(+z方向)和负向传输(-z方向),则T b表示电磁波负向传输(-z方向)时的传输矩阵。当只考虑互易介质,即不包含磁性材料时,有
电磁波的非对称传输通常用参数Δ表示,Δ描述了前向和后向两个相反的传播方向之间传输透射率的不同,定义为[10]
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