介电常数近零媒质的集成光学掺杂理论及应用

《介电常数近零媒质的集成光学掺杂理论及应用》针对介电常数近零（ENZ）媒质及其光学掺杂调控展开研究，介绍了集成化、低损耗的ENZ媒质及光学掺杂的理论与实现方案，并基于近零折射率特性与光学掺杂电磁调控给出一系列电路与天线领域的关键应用。《介电常数近零媒质的集成光学掺杂理论及应用》的内容可以总结为如下三个方面。①基础理论与平台方面：阐述了集成光学掺杂的理论，可解决近零折射率媒质与光学掺杂的损耗问题与平面集成困难。②工程应用方面：介绍了基于集成光学掺杂的电路与天线应用，将近零折射率媒质的独特性质与集成光学掺杂的高效电磁调控引入工程实践，在器件的几何结构灵活性、功能可操控性上相较于传统设计有质的提升。③理论与应用的进一步拓展：将光学掺杂理论从单一掺杂异质体情形拓展至多掺杂异质体情形，阐述了色散编码的理论与应用，介绍了与单元排布无关的超构媒质新范式。本书的读者对象是从事电磁理论及应用工作的学者、工程技术人员及研究生。

周子恒，现任福州大学副教授、硕士生导师。2022年博士毕业于清华大学电子工程系，师从李越副教授。主要从事电磁超构媒质理论及天线应用研究，在自然子刊《Nature Communications》、《Light: Science & Applications》、天线领域期刊《IEEE Transactions on Antennas and Propagation》等高影响力国际刊物发表论文十余篇；曾获2019年国际天线与传播研讨会（IEEE-ISAP）最佳论文奖、2019年全国超材料大会学术新人奖。

　　电磁超构媒质(metamaterials)是当下物理、材料、电子工程等多个领域共同的研究热点。超构媒质基于人工结构设计，呈现出自然界中不存在的材料特性，实现了“负折射”“完美透镜”“隐身斗篷”等一系列奇特应用，为人们灵活操控电磁波提供了全新机遇。近年来，一类具有特殊参数的介电常数近零(epsilon-near-zero, ENZ)媒质引起了学术界的广泛关注。电磁波在ENZ媒质中具有无穷大的相速度和波长，表现出空域静态分布而时域振荡的“空时解耦”效应。2017年，本团队与美国宾夕法尼亚大学Nadar Engheta教授合作提出了基于ENZ媒质的“光学掺杂”概念： 通过引入任意分布的介质掺杂物实现 ENZ媒质的任意等效磁导率，为灵活调控ENZ媒质的宏观电磁响应提供了全新途径，并开启了“序构无关”的电磁超构媒质全新方向。

　　本书总结了近年来ENZ媒质及光学掺杂理论的发展动态，深刻剖析了ENZ超构媒质当前面临的关键挑战： ENZ媒质(如等离子体材料等)通常损耗较大，这限制了光学掺杂概念的实现与应用。因此，如何实现低损耗的ENZ媒质是一个亟待突破的关键课题。为此，本书首先介绍了低损耗的人工ENZ媒质理论及实现方案，提出采用低损耗的基片集成波导结构等效实现极低损耗的等效ENZ媒质，并进一步提出了基片集成光学掺杂的理论，对ENZ媒质的等效磁导率进行任意调控。进而，本书详细阐述了基于ENZ媒质及集成光学掺杂理论的微波电路及天线应用。电路应用方面，本书从“传输线—元件—网络”三个层面介绍了几何结构可任意设计的ENZ波导电路理论及实现方案； 天线应用方面，本书介绍了工作频率和辐射频率可独立设计的ENZ天线理论及实现方案。

　　本书所介绍的研究成果发表于Nature子刊Nature Communications、光学领域高影响力期刊Light: Science & Applications、天线领域高影响力期刊IEEE Transactions on Antennas and Propagation、微波领域高影响力期刊IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques等，得到了国内外同行的高度关注和认可。希望本书的出版能够促进电磁超构媒质前沿理论及应用的发展，为微波、光学、材料等相关领域的研究人员及研究生提供帮助。

　　是为序。

李越

2023年3月于清华园

第1章绪论

1.1研究背景及意义

1.2近零折射率媒质

1.2.1媒质及超构媒质的分类

1.2.2近零折射率媒质基础特性

1.2.3近零折射率实现方案及应用

1.3光学掺杂概念及特性

1.4波导与基片集成波导

1.5本书研究内容

第2章集成光学掺杂理论

2.1集成光学掺杂基本概念

2.2磁导率调控理论

2.3光学掺杂局域场增强效应

2.4集成光学掺杂实验验证

2.5本章小结

第3章集成光学掺杂的电路应用

3.1引言

3.2可任意弯折的波导传输线

3.3基于光学掺杂的ENZ元件及匹配电路

3.3.1ENZ元件的集总模型

3.3.2基于ENZ元件的广义匹配电路

3.4基于光学掺杂的ENZ功分网络

3.4.1任意几何的N端口ENZ网络理论

3.4.28路均等分的功分器设计

3.4.310路非均等分的功分器设计

3.4.4实物加工测试与讨论

3.5本章小结

第4章集成光学掺杂的天线应用

4.1引言

4.2波导等效ENZ天线的基本形式及特性

4.2.1天线结构及工作模式

4.2.2可独立操控的辐射方向图与工作频率

4.2.3天线加工及测试

4.3水平全向高增益ENZ天线设计

4.3.1天线结构与工作原理

4.3.2天线加工及测试

4.4光学掺杂的波导等效ENZ天线

4.4.1天线结构与工作原理

4.4.2天线加工及测试

4.5本章小结

第5章多掺杂异质体理论及应用

5.1引言

5.2多掺杂异质体无耦合效应

5.3数值仿真及实验验证

5.4多掺杂异质体的色散编码应用

5.5本章小结

第6章总结与展望

6.1本书工作创新点

6.2未来工作展望

参考文献

在学期间完成的相关学术成果

致谢