基于开口环和短线超常媒质结构的电磁诱导透明
研究
摘 要
利用新型人工电磁媒质来模拟电磁诱导透明（Electromagnetically Induced Transparency ，EIT ）现象是新兴的电磁学研究方向，有望让本属于量子光学领域的电磁诱导透明现象的高Q 值、低损耗和大群折射率等优势得到更广泛的应用。并且对于开口环和短线的相关位移的改变，导致频率发生改变，从而讨论位移的改变对电磁诱导透明现象的影响，使开口环和短线系统在其相互作用和电磁诱导透明的发生机理上得到了解和运用，使电磁诱导透明现象得到相应推广和应用。
本文在传统太赫兹电磁诱导透明人工电磁媒质的设计中引入异向介质和常规的光学平板，本论文的设计中加入两个电场和磁场，分立环形共振子对为沿短线改变其相对位移但不改变谐振器之间的横向距离，且利用电和磁的刺激途径的黑暗模式使电磁诱导透明共振出现巨型调幅。本论文实现了讨论开口环和短线的模型的相关运用才能出现实现电磁诱导透明，以及改变开口环的相对位移使频率的图像出现大幅的改变，根据频率的图像观察电磁诱导透明现象，进而讨论了相应现象的原理，对原理进行了验证，实现了主动式的类电磁诱导透明调制；同时通过其透射谱和电场分布，阐述了电磁诱导透明动态调制的原理，为开发利用类电磁诱导透明效应的新型太赫兹调制器件和可调谐的慢光、延时器件提供了新思路。
关键词 电磁诱导透明；人工电磁媒介；太赫兹；开口环
term extraordinary medium EIT
Abstract
To simulate the electromagnetically induced transparency using the new artificial electromagnetic medium (Electromagnetically Induced Transparency, EIT) is a new research direction of electromagnetism, is expected to make the high Q belongs to the field of quantum optics, electromagnetic induced transparency value, low loss and large refractive index and other advantages to be more widely applied. And for the relative displacement Split-ring Resonator and short-term change, causes the frequency change, and discusses the influence of displacement change phenomenon of electromagnetic induced transparency, Split-ring Resonator and short-term system understanding and using mechanism of transparent in its interaction and the electromagnetic induction, the electromagnetically induced transparency phenomenon corresponding to the promotion and application.
The design based on the traditional terahertz electromagnetic induced transparency artificial electromagnetic medium is introduced in aluminum meta material and optical flat conventional, with dark mode resonance in two added electric and magnetic fields Split-ring Resonator double conversion as the lateral distance along the wire changed without changing the resonator between, and use the dark pattern stimulus approach and magnetic to electromagnetically induced transparency resonance appears huge amplitude modulation. The discussion of open loop and the short-term model related to the use of electromagnetically induced transparency can be achieved, and the relative displacement of an open loop frequency change make images appear dramatic change, according to the image of electromagnetic frequency induced
the principle is verified, the active class of electromagnetically induced transparency modulation; at the same time through the transmission spectrum and the electric field distribution, expounds the principle of transparent dynamic modulation of electromagnetic induction, provides a new idea for the novel frequency modulator induced transparency effect for the development and utilization of electromagnetic and slow light, tunable delay device.
Keywords EIT ，artificial electromagnetic medium ，terahertz ，Split-ring Resonator
目 录
摘要................ . ..................................................................................................... I Abstract...... ......................................................................................................... II
第1章 绪论 . ....................................................................................................... 1
1.1 超常媒质 . ............................................................................................... 1
1.1.1 超常媒介的制备 . ......................................................................... 2
1.1.2 超常媒介的组装 . ......................................................................... 3
1.1.3 超常媒介的发展方向 . ................................................................. 4
1.2 电磁诱导透明的内外发展现状 . ........................................................... 4
1.3 课题研究的目的和意义 ........................................................................ 7
第2章 电磁诱导透明相关的基本理论 ............................................................ 9
2.1 课题涉及到的相关元件及理论 ............................................................ 9
2.2 电磁诱导透明(EIT) ............................................................................... 9
2.3 太赫兹电磁脉冲 .................................................................................. 10
第3章 仿真与分析 . ......................................................................................... 14
3.1 结构设计与仿真 .................................................................................. 14
3.1.1 结构设计 . ................................................................................... 14
3.1.2 材料选择及数值模拟 . ............................................................... 14
3.1.3 仿真和比较 . ............................................................................... 16
3.2 模型的选择及相关的频率特性的分析 . ............................................. 19
3.3 相对位移改变的情况下的频率分析 . ................................................. 21
3.4 仿真结果分析及验证 . ......................................................................... 24
结论 . ................................................................................................................... 27
致谢 . ................................................................................................................... 28
参考文献 . ........................................................................................................... 29
附录 . ................................................................................................................... 31
第1章 绪论
1.1 超常媒质
超常媒介（Metamaterial ）是21世纪物理领域的新兴词汇，常出现在各类文献中。目前为止对于“Metamaterial ”尚且没有严格和权威的定义，国内对其翻译不甚统一，常见的包括：“左手材料”、“左手媒介”、“异向材料”、“超媒介”、“超常媒介”、“新型人工电磁材料”等等，本文统一翻译为“超常媒介”。
“超常媒介”是指一些具有天然材料所不具备的超常物理特性的人工复合结构或者复合材料。通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表观自然现象的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。
超常媒介重要的3个重要特征：
①超常媒介通常是具有新奇人工结构的复合材料。
②超常媒介具有超常的物理性质（往往是普通物质不具备的性质） ③超常媒介性质往往不取决于构成材料的本征性质，而是取决于其中的人工材料。
超常媒介是成周期性排列的单元结构尺寸小于入射电磁波波长的复合人工电磁材料。超常媒介可以使电磁波在结构中产生特异新奇的电磁特性，比如负折射现象、反Doppler 效应[1]、反Vavilov-Cerenkov 效应、衍射极限突破成像、伪装等等特性，这些特性都是自然界普通所不具备的。这些特性是有它的组成单元决定的而非它的组成材料。这些理论是
Pendry [2]等人提出，由Smith 等人实验证明的，由于其可以广泛应用于超透镜[3]、光速减速[4]、数据储存、光交换等等方面，让众多的工程师和物理学家产生了巨大的研究兴趣。到目前为止，对此的制造、设计和应用超常媒介已经扩展到相当宽广的电磁光谱范围，包括长、中、短红外线波段甚至到了光频段[5]。
目前，国际上学者将由人工设计的、具有特异电磁性质的结构安排制备形成的材料统称为超常媒介。近年来人们对这种超常媒介特别感兴趣，原因在于这种超常媒介结构的周期长度远小于电磁波波长，有利于器件的小型化和集成化，这是普通的光子晶体无法比拟的。超常媒介有单负材料
[6](single-negative materials：SNG ) 和双负材料(double ．negative materials：DNG ) 两种。把介电常数和磁导率均为负的材料称之为DNG [7]，即左手材料[8](1eft ．handed materials ：LHMs ) ；把介电常数和磁导率仅有一者为负的材料称之为SNG [9]。相应地将同时具有正介电常数和正磁导率的材料称为双正材料(double positive materials ：DPS ) 即右手材料(right handed
materials ：RHMs) 。而其中利用新型人工电磁媒质来模拟电磁诱导透明现象是新兴的电磁学研究方向，有望让本属于量子光学领域的电磁诱导透明现象的高Q 值、低损耗和大群折射率等优势得到更广泛的应用。并且对于开口环和短线的相关位移的改变，导致频率发生改变，从而讨论位移的改变对电磁诱导透明现象的影响，使开口环和短线系统在其相互作用和电磁诱导透明的发生机理上得到了解和运用，使电磁诱导透明现象得到相应推广和应用。本论文就是基于超常媒介对电磁诱导透明进行研究与相关现象的讨论。
1.1.1 超常媒介的制备
1．SRRs 制备工艺
Pendry 通过对电磁场理论的分析首先提出了具体设计超常媒介的方法，即SRRs 。在经典的电磁场理论中，材料的性质一般可以由Drude-Lorentz 很好地描述，对于对于开环共振器(SRRs ) 和细金属导线构成的复合微结构而言，根据该理论，介磁导率与介电常数的表达式形似，分别为：
F ω2
μ(ω) =1-22ω-ωm +i Γω (1-1)
2ωp ε(w ) =1-ω(ω+i γω) (1-2)
其中ωm 是体系的磁共振频率, F 表示金属占据格子的体积分数, i 为虚数单位, Γ为损耗频率(远小于ω) 。其中为ω电子的等离子体共振频率, 而γ为m p
损耗频率。由上式可推知，当大于共振频率ωm 时，SRRs 体系将出现负的磁导率；当ω
2．非SRRs 制备
如上所述，制作超常媒介最基本与重要的思想就是在某种关键尺寸上层次的有序排列，通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计来突破某些表观自然规律的限制。SRRs [11]是这一思想的典型代表。另一种广为使用的方法是利用电子束曝光系统等设备在薄层上制造出“超常媒介”。这一方法强调了材料的重要性。对于光子晶体材料[12]，人们在实验上长期追求的目标是实现光频段的完全光子带隙。有研究者选择了银作为介电背景，银在可见光范围的折射率在0.2～0.4左右，且有很好的透
光性。利用化学过程将银引入到聚乙烯微球晶体[13]，结果获得了具有接近完全带隙的光子晶体。目前，已有研究人员利用已广为光学工业界接受的斜角沉积技术为基础，发展出一项可以大规模生产光学超常媒介的技术。研究人员以伯这种技术在硅基板上制作银纳米柱构成的薄膜，该薄膜能以特殊的方式操控光，在光电产业上具有广泛的应用。然而，截至目前制作出来的超常媒介只能在有限的频率范围内工作，而且很难大量生产。为克服这个问题，任贻均[14]等(Yi Jun Jen ) 等采用了斜角沉积法来制作超常媒介。任等先以电子轰击银块材使其气化，然后让银蒸气沉积在2英寸厚的硅基板上，通过调整基板的倾斜角度，让银在自我遮蔽效应作用下，优先朝蒸气注入的方向生长成纳米柱长成的银薄膜厚240nm ，银纳米柱长650nm 、宽80nm ，并与基板法线夹66度角。研究人员以波长介于300至850nm 的光照射样品以测量其光学特性，结果发现在波长介于532至690nm 间会产生负折射，而理论上该系统在可见光波段(380-750nm ) 都会产生负折射。可以预见，由于斜角沉积法是一种平面技术，这种方法应该能轻易地与微电子制程整合。
1.1.2 超常媒介的组装
超常媒介基本结构的尺寸在微纳级别。以上两种方法的不足之处在于其制作工艺与过程复杂。正如半导体工艺中的单晶硅，能沿某一晶向实现自我结构的“复制”，如果能使超常媒介的基本结构单元也能实现自我机构的自我组装与复制，将能大大提高超常媒介的制造效率，如同单晶硅的制造一样。超常媒介的自我组装也成为了目前的热门方向，并取得了进展。最近，康纳尔大学乌力·韦斯勒等通过其最新研制出的纳米制造技术，实现了超常媒介自我组装。乌力·韦斯勒[15]等提出的一新的方法则可使用化学方法让嵌段共聚物自我组装成纳米结构的三维“超常媒介”。其实验理论指出，聚合物分子链接在一起形成固体或半固体材料。而嵌段共聚物由两个聚合物分子的终端链接在一起形成，当两个聚合物分子的终端完全相同时，将会链接形成一个相互关联的、具有重复几何形状（如球形、圆柱形或回旋形等）的图案，组成这些重复图案的单元可能纳米小至几宽。这些结构形成之后，两个聚合物中的其中一个能被溶解，留下一个三维模型，可将金属（一般是金、银）填充于其中，另一个聚合物随后会逐渐消失，留下一个多孔的金属结构。随后乌力·韦斯勒等利用这些金属回旋物设计出具有负折射率（能让光在相反方向弯曲）的材料。
他们假定金属结构由金、银或铝制成并逐一进行了计算实验，结果发现，使用银时才能获得满意的结果。乌力·韦斯勒等表示，他们正在让这些能在可见光范围内工作的超常媒介变成现实。
1.1.3 超常媒介的发展方向
超常媒介将有可能是一种前途不可限量的的新型材料。但是在目前，离到真正大规模的生产与使用还有许多的难题有待克服，这也将成为未来超常媒介研究的主流方向并能有很多重大突破的领域。 一个重要的研究方向是使超常媒介的工作频段增大。目前，超常媒介的频段还只能达到红外层次。在最新的任贻均等人的研究成果中，显示已能使最小波长为690nm 的可见光波产生负折射效益[16]。但对于未来将具有重要应用的超级透镜与隐形斗篷来说，其工作波段最少应覆盖整个可见光波段。如何能使更宽的光波波段实现负折射，将是未来超常媒介发展的重要课题
另一个研究方向是使超常媒介获得具有“各向同性”的特性。无论是从Jendry 的隐身斗篷理论还是从最新的研究成果来看，大多数研究出来的负折射率材料仅能在某些角度上实现负折射现象。如何能使超常媒介能实现具有各向同性的特性，让隐身斗篷无论从哪个角度看都是隐身的，使隐身衣的设计可以随心所欲而不受其形状的控制，将是超常媒介的另一个重要课题。
第三个研究方向是获得大规模地制造大体积的超常媒介的方法。这一方向包括两点，一是大规模高效率地制造超常媒介，正如人类大规模地制造单晶硅一样；另一点是如何增大超常媒介的体积。目前实验室仅掌握在平面上的超常媒介的制造工艺，具有三维空间的立体超常媒介还未实现。同时表面工艺也仅仅局限在很小的面积上，这距大规模地使用还有很长的距离。如何实现大规模的制造是实现超常媒介的广泛使用的重要前提。或许人们可以从单晶硅的制造方法出发，寻找到新的方法与工艺。在这一方向上的重要理念是超常媒介的自我组装与复制，正如前文所述，这一方向已取得了很大的突破。
1.2 电磁诱导透明的内外发展现状
电磁诱导透明（EIT ，Electromagnetically induced transparency ）一般是用两束光同时照射到原子介质（如大量原子组成的气体），使得其中一束光能够在与原子跃迁共振时通过原子介质而不产生吸收和反射的现象。如图1-1及图1-2所示，对于能级结构为 的原子可分别与耦合信号或探测信号共振耦合。当同时施加两路信号并且EIT 发生时，探测信号可以无损的通过原子介质而不被吸收和反射。
图1-1 为
Λ的原子与探测信号共振耦合
图1-2 Λ的原子与耦合信号共振耦合。
Harris [16]等人1991年在锶原子蒸汽中第一次实现了EIT ，由于EIT 会带来介质许多性质的奇特变化，因此还有与EIT 相关的许多其它方面的研究，例如：粒子数相干布居囚禁（CPT ，coherent population trapping ），无粒子数反转激光（LWI ，lasing without inversion ），非线性光学. 由于介质折射率的变化会导致探测信号的群速度减慢甚至停止，因此也有许多慢光传输、停光以及光存储方面的研究。
早期的EIT 研究都是基于气体原子展开的，由于气体原子可以实现的透明光频较宽，一般可从紫外到红外区域。另外，气体原子的退相干时间较长，与光场的作用比较容易实现，但对于实际应用来说固体更具有潜在的优势。首先，固体易于存放并且加工技术成熟，易于集成化和规模化，比较适于制作器件；其次，固体中不存在诸如气体的扩散效应，不会因为扩散运动影响器件的性能。可是，固体实现EIT 也存在着退相干时间短，容易受外界耦合噪声干扰，晶格缺陷无法彻底消除等弊端。因此，有关固体EIT 的研究主要都是在退相干时间较长的材料中展开的，比如掺稀土离子晶体、低维半导体GaAs 材料和氮空位色心金刚石（N-V color centers in diamond ）等。
自从Harris 等人于1991年首先发现EIT 现象以来，很多研究者对有关EIT 的稳态过程进行了实验研究，从原子体系中的EIT 现象到分子体系中的EIT 现象，从最初在类似Λ-型体系中的EIT 研究和后来在级联体系中的EIT 研究，到最近在双能级体系和四能级体系中的EIT 研究都进行了大量的工作；但有关EIT 的物理本质尚有待深入研究，特别是有关EIT 的瞬态研究才刚刚起步，需要下大力气进行该方面的研究，这也是本课题的重点所在。本课题主要从电磁感应透明的物理本质出发来研究其对实际的指导作用。
以前，EIT 的绝大部分实验研究集中在诸如铷、铯、氢等气体介质方面；最近几年，才开展固体介质和半导体介质中的EIT 实验研究，并由此引出了许多新应用。在固体材料中采用EIT 技术，使得光信息存储[17]成为可能；在半导体中采用EIT 技术，使全光学波长转换器[18]的产生成为可能，并由此预言在不远的将来可实现非反转型激光器的运转[19]。关于EIT 的研究，也开始由单光子和双光子EIT 过程的研究，转向三光子EIT 过程的研究。在热原子气体中已观测到三光子EIT 现象[20]，这是一种新的非多普勒展宽型吸收透明共振效应。由于三光子EIT 的透明效应跟一般单光子EIT 相比，具有更窄的线宽，可广泛应用于高精密度测量等领域。
三能级模式原子介质的电磁诱导透明与两能级模式原子介质的自诱导透明(self-induced transparency ) 有着根本的不同。这不仅体现在形成机制上，也体现在实际应用上因为自诱导透明（简称SIT ）甚至难于发送具有高斯光束横剖面的一个光束，而电磁诱导透明不仅可以发送这样的光束，并且还能较好地传翰光束载有的全部信息。当然，电磁诱导透明的应用也受到很大限制，这除了对给定介质的制备需要高、难、苛、严的条件而外，还受到它自身原理性的颇多制约。比如，要使电磁诱导透明脉冲在制备好的介质中得以传播，藕合激光中单位面积的光子数一定要超过途经路线上被其振子加压的原子数对于短的脉冲，其能量要同原子密度与介质长度的乘积成线性变化电磁诱导透明才会有效。又如，须让激光峰值功率一定要充足到使电磁诱导透明的透射功率，超过喇曼（Raman ）跃迁的线性展宽所要求的功率 在两个光场的拉比频率可以比拟的情况下，两光场脉冲长度一定要同喇曼跃迁的相移时间相对应等等。
自从意大利比萨大学的G. 阿尔热塔（Gerardo Alzetta ）和他的同事在1976年发现电磁诱导透明物理效应的本质以后，直到20世纪90年代初美国斯坦福大学的S. 哈里斯（Stephen Harris ）小组才成功实现了电磁诱导透明。后来经过人们的不懈探索，发现用电磁诱导透明技术不仅可以造就一批新型高技术设备，而且可能实现量子信息的再现贮存和贮存期间的再加工。
量子信息贮存的大致操作是这样的当探侧脉冲全部包含在制备好的原子介质中后，突然关闭润合傲光，探侧脉冲就会立即为原子所吸收，它所携带的信息也就“压印”在原子介质上，若要读取这些信息，则只需接通藕合激光，那么包含原有信息的探侧脉冲就会再现并且继续在原子介质中缓慢爬行。要是藕合激光采取短促的断续接通方式，则“原来的”探侧脉冲就可以分段多次再现其中每一段都依次只包含“压印”在原子介质上信息的一部分。当然，探测脉冲的信息贮存时间和相邻两次读取的间隔时间都不能“太长”（多在数百徽秒之内），信息取出次数也不会太多（这由制备原子介质时选择的参量决定，一般3次以内就能把贮存的信息取完）。为使取出的信息失真最少，应让原子介质的温度降到T 。以下更多些，因
为只有将钠原子的热运动减至最小，才能少抹掉原子间的相对位相而获取高质量的再现信息。
人们经过分析后惊喜地发现，前述系统完全可能用于量子信息的转换（即快速运动的量子态（光脉冲）与静止态（偏振子）之间可靠的相互转换），通过操纵原子间的相互作用方式，还可能实现对量子信息的再加工。这对于酝酿中的量子计算机的研发，无疑是一种极大的鼓舞。
如果采用钠原子的另一种三能级模式，则对于在BEC 温度以下制备的原子介质，当藕合傲光具有更稳定的频率和更低的强度时就可使探测傲光脉冲在原子云中的速率达到每秒厘米量级，这已能同玻色一爱因斯坦凝聚体中的声速相比拟。若声子激励期间让探侧脉冲在原子云中传播，审慎地调谐另一激光至钠原子的2>→4>态跃迁，则可论证是否实现了单个光子水平上的光学开关。
利用线形实部在零吸收点附近的折射率曲线陡峭的斜率，可以设计出更为灵敏的磁场计，用于探测极稀少物质的存在，如被别的方式吸收了的低丰度同位素的探测等等。
另外，从电磁诱导透明的角度去探讨光学压缩、量子非破坏性、宇宙学中的黑洞、量子非定域性、原子能量的极精确测定等问题，也将会大有裨益至于对无反转激光器、光学参量放大器、极宽频带的光学变频器等仪器设备的研制，电磁诱导透明技术也必然显示它不容小视的威力。
总之，电磁诱导透明技术的应用开发是大有可为的，仅从上面列举的就预示了它光辉灿烂的前景。
1.3 课题研究的目的和意义 近几年，超常媒质(metamaterial)伴随着其分支——左手介质的迅猛发展而不断受到固体物理、材料科学、光学和应用电磁学领域内的广泛青睐。所谓超常媒质，是指具有天然媒质所不具备的超常物理性质的一类人工复合媒质或结构的总称，其物理性质是由结构而不是材料特性决定的，EIT 人工电磁媒质的产生原理是两个谐振频率相等，Q 值差别足够大，同时振幅适当的模式之间的相消相干。这种相消相干主要体现在亚辐射模式对超辐射模式的抑制作用，使得超辐射模式无法很强的振荡起来，光谱响应中表现为产生了两个新的共振模式（两个谷），由此产生了两个谷之间很窄很锐利的透射峰。
电磁诱导透明的相消相干作用使得介质在一个宽的吸收带中产生了一个很窄的透明区，同时在这个透明区内伴随着很大的群折射率，表现出极好的选频和慢光特性。EIT 效应已广泛应用于慢光、光信号处理、光存储、光传感等的研究，尤其借用各种人工电磁结构模拟EIT 现象的相关研究成为了新趋势。与传统的EIT 介质相比，人工电磁媒质在室温下就会表
现出其特性，通过调整金属微结构的尺度就可对不同频带的入射光做出响应，因此这种获得类EIT 效应的手段更为可行。目前，国内外关于太赫兹EIT 人工电磁媒质的研究已涉及了几何形状、结构尺寸、耦合距离和耦合方式等方面；其中在几何形状方面，一系列的微结构被用来实现类EIT 光谱响应，如金属条[21]，分立环形共振子(SRR) [22]，耦合波导微腔谐振子和其他多层结构[23]。但目前关于类EIT 效应的调控仅限于被动式的，即通过改变微结构本身来产生不同的响应特性，而实际应用中需要实时调制。
本文在太赫兹波段研究了EIT 人工电磁媒质，在传统太赫兹EIT 人工电磁媒质的设计中引入了异向介质薄膜。借助黑暗模式共振，在加入两个电场和磁场时分立环形共振子双转换为沿电线改变位移而不改变谐振器之间的横向距离实现了主动式的类EIT 现象，为开发利用类EIT 效应的新型太赫兹调制器件和可调谐的慢光器件开辟了新道路。
第2章 电磁诱导透明相关的基本理论
2.1 课题涉及到的相关元件及理论
我们观察励磁和调整的电磁感应透明（EIT ）由不同的激励途径的平面太赫兹异向介质中的黑暗模式之间的干扰。电磁诱导透明的发生机制由切丝作为明亮的谐振器和一对拆分环谐振器 (SRRs) 作为超常媒介元素组成。
黑暗模式共振在两个电场和磁场条件下时，一对开口环（SRR ）的位置变化进而影响电磁的激励，其中位移变化特点是：为经过沿线改变位移而不改变谐振器之间的横向距离。利用电和磁的刺激途径的黑暗模式使电磁诱导透明共振出现巨型调幅。
2.2 电磁诱导透明(EIT)
电磁诱导透明（Electromagnetically Induced Transparency ，EIT ）指通过光原子激发通道之间的量子相消相干导致光在原子共振吸收频率处吸收减小甚至完全透明的现象。
EIT 的发现及其物理机制
1988年Kocharovslaya 和Khanin 以及1989年斯坦福大学的Steven Harris [13]分别在各自的文章中独立地提出了关于EIT 的前期理论，为EIT 的发现打下基础。这2篇文章都提出了同一概念——无粒子数反转光放大，即在某一过程中可以出现一种特殊激光器，这种激光器不需要产生一般激光时所必须的粒子数反转放大条件。一般理论认为，当产生激光跃迁的上能级粒子数与下能级粒子数相等时，介质最终达到饱和。根据爱因斯坦速率方程，无粒子数反转光放大是不可能实现的。而Kocharovslaya ， Khanin 和Steven Harris 等人提出由于介质中同时存在受激辐射和受激吸收2个过程，因此不能实现无粒子数反转光放大；但是如果使受激吸收过程不存在，或使之大大减少，就有可能实现无粒子数反转光放大。
于是，研究者开始探索如何实现减少受激吸收，甚至完全不吸收。1991年，Harris 等人首次在实验中观测到电磁场诱导介质透明现象。实验是在锶气中完成的，采用脉冲激光器与类似Λ-型原子体系发生相互作用。如图2-1所示，在2>→3>能级之间加入强共振泵浦场，同时采用弱探测场探测>→3>能级之间的吸收谱线。实验结果表明，当关闭泵浦场时，探测场通过介质后的透射比为exp(-20) ，而当打开泵浦场时，透射比上升为exp(-1) ，这就是著名EIT 现象。也就是，当介质与一电磁场发生耦合作用时吸收能量，但用另一电磁场探测介质的吸收谱线时，发现只要这两个电磁场与原子能级之间满足双共振条件，介质就不再吸收场能量， 而
变成透明的了。这是因为相干电磁场与原子体系之间的相互作用可以导致原子态之间的相干叠加，同时原子态之间的相干叠加又可以显著地改变原子体系与电磁场之间的相互作用。产生EIT 现象的双共振( 探测吸收共振) 被称作“黑色共振(dark resonance) ”，或者说原子系统处于一个“黑色态
(dark state)”上，这个态不与电磁场发生耦合作用。
图 2-1 首次在锶气中观察电磁诱导透明现象的能级结构
2.3 太赫兹电磁脉冲
太赫兹电磁脉冲或称为太赫兹波（太赫兹波）或称为T 射线（太赫兹射线）是从上个世纪80年代中后期，才被正式命名的，在此以前科学家们将统称为远红外射线。太赫兹波是指频率在0.1太赫兹到10太赫兹范围的电磁波，波长大概在0.03到3mm 范围，这一波段的电磁辐射具有很强的透视能力，可以作为一种特殊的“探针”用来对物质内部进行深入研究。
实际上，早在一百年前，就有科学工作者涉及过这一波段。在1896年和1897年，Rubens 和Nichols 就涉及到这一波段，红外光谱到达9um （0.009mm ）和20um （0.02mm ），之后又有到达50um 的记载。之后的近百年时间，远红外技术取得了许多成果，并且已经产业化。但是涉及太赫兹波段的研究结果和数据非常少，主要是受到有效太赫兹产生源和灵敏探测器的限制，因此这一波段也被称为太赫兹间隙。随着80年代一系列新技术、新材料的发展，特别是超快技术的发展，使得获得宽带稳定的脉冲太赫兹源成为一种准常规技术，太赫兹技术得以迅速发展，并在实际范围内掀起一股太赫兹研究热潮。
太赫兹具有瞬态性、宽带性、相干性、低能性等独特性能，在宽带通信、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学成像、无损检测、安全检查等领域产生了深远的影响。由于太赫兹的频率很高，所以其空间分辨率也很高；又由于它的脉冲很短，所以具有很高的时间分辨率。太赫兹成像技术和太赫兹波谱技术由此构成了太赫兹应用的两个主要关键技术。同时，由于太赫兹能量很小，不会对物质产生破坏作用，所以与X 射线相比更具有优势。另外，由于生物大分子的振动和转动频率的共振频率均在太
赫兹波段，因此太赫兹在粮食选种等农业和食品加工行业有着良好的应用前景。太赫兹的应用仍在不断的开发研究当中，其广阔的科学前景为世界所公认。
太赫兹波的具体特点有：
（1）高透射性：太赫兹对许多介电材料和非极性物质具有良好的穿透性, 可对不透明物体进行透视成像, 是X 射线成像和超声波成像技术的有效互补, 可用于安检或质检过程中的无损检测。
（2）低能量性：太赫兹光子能量为4.1meV(毫电子伏特), 只是X 射线光子能量的108分之一。太赫兹辐射不会导致光致电离而破坏被检物质, 非常适用于针对人体或其他生物样品的活体检查。进而能方便地提取样品的折射率和吸收系数等信息。
（3）吸水性：水对太赫兹辐射有极强的吸收性, 因为肿瘤组织中水分含量与正常组织明显不同，所以可通过分析组织中的水分含量来确定肿瘤的位置。
（4）瞬态性：太赫兹脉冲的典型脉宽在皮秒数量级，可以方便地对各种材料包括液体、气体、半导体、高温超导体、铁磁体等进行时间分辨光谱的研究，而且通过取样测量技术，能够有效地抑制背景辐射噪声的干扰。
（5）相干性：太赫兹的相干性源于其相干产生机制。太赫兹相干测量技术能够直接测量电场的振幅和相位，从而方便地提取样品的折射率、吸收系数、消光系数、介电常数等光学参数。
（6）指纹光谱：太赫兹波段包含了丰富的物理和化学信息。大多数极性分子和生物大分子的振动和转能级跃迁都处在太赫兹波段, 所以根据这些指纹谱, 太赫兹光谱成像技术能够分辨物体的形貌, 分析物体的物理化学性质, 为缉毒、反恐、排爆等提供相关的理论依据和探测技术。
太赫兹波的产生分为连续波的太赫兹产生和太赫兹脉冲的产生。产生连续太赫兹波的方法主要有4种：
(1) 通过FTIR (Fourier Transform Infrared Spectrometer) 使用热辐射源产生，如汞灯和SiC 棒；
(2) 是通过非线性光混频产生；
(3) 是通过电子振荡辐射产生，如反波管、耿式振荡器及肖特基二极管产生；
(4) 是通过气体激光器、半导体激光器、自由电子激光器等太赫兹激光器直接产生。目前产生太赫兹脉冲常用的方法有光导天线法、光整流法、太赫兹参量振荡器法、空气等离子体法等，其中空气等离子体能产生相对较高强度的太赫兹波而备受关注。此外，还可以用半导体表面产生太赫兹波。
Cook 和Hochstrasser 等人最早发现将频率为60的飞秒脉冲和频率为209的倍频光聚焦在空气中，将空气电离可产生太赫兹。该方法与之前的在晶体中进行光整流产生太赫兹波相比，不存在损伤阈值的问题，即对激光的强度没有限制。空气中产生太赫兹波有3种结构，如图所示。图2-2(a ) 是将波长为800 RE或400nm ，脉宽为100fs 的激光脉冲聚焦到空气中产生等离子体，从而辐射太赫兹波；而图2-2(b ) 较之于图2-2(a ) 则是在聚焦透镜后添加了一块BBO 晶体用于倍频；图2-2(c ) 是利用分色镜将波长为800nm 和400nm (基频波与二次谐波)
的两束光混合在一起，通过干涉相长或干涉相消对太赫兹辐射进行相干控制。
图2-2 空气产生太赫兹结构图
光学参量振荡是产生太赫兹辐射的另一机制，是基于光学参量效应的一种技术。太赫兹参量源通常有太赫兹参量发生器和太赫兹参量振荡器两种，二者之问的区别在于TPO 有谐振腔，而TPG 没有这样的选频结构。太赫兹参量源具有很高的非线性转换效率，其结构简单、易于小型化、工
作可靠、便于操作、相干性好，并且能够实现单频、宽带、可调谐、可在室温下稳定运转的全固态太赫兹辐射源。
图2-3 Koji Suizu的实验原理图
2008年，Koji Suizu[12]等人利用KTP-OPO (双波长输出KTP 光学参量振荡器) 产生的两束波长相差不大的平行泵浦光在铌酸锂晶体中差频产生出太赫兹波，在太赫兹波的输出上利用了切伦科夫辐射的原理，如图2-3所示。
众所周知，当晶体中极化波的速度大于辐射出的射线波的速度时就可以说其满足了切伦科夫的相位匹配条件。在铌酸锂晶体中，由两束泵浦光差频产生的太赫兹波的波速(发出的瞬间具有泵浦光的速度) 大于由太赫兹引起的介质极化产生的次波辐射的波速(等于太赫兹的速度) ，满足了切伦科夫辐射的相位匹配条件 ，从而以一定角度辐射出太赫兹波。同时，因为聚乙烯膜很薄，可以和太赫兹波的波长相比，所以可在聚乙烯膜上使用一组硅棱镜阵列来耦合太赫兹波的输出，然后用硅测辐射热计来探测产生的连续宽频范围的太赫兹波。
第3章 仿真与分析
3.1 结构设计与仿真
3.1.1 结构设计
EIT 人工电磁媒质的产生原理是两个谐振频率相等，Q 值差别足够大，同时振幅适当的模式之间的相消相干。这种相消相干主要体现在亚辐射模式对超辐射模式的抑制作用，使得超辐射模式无法很强的振荡起来，光谱响应中表现为产生了两个新的共振模式（两个谷），由此产生了两个谷之间很窄很锐利的透射峰。根据EIT 人工电磁媒质的产生原理，在太赫兹波段设计的微结构是：异向介质的单元包括SRRs 对称地放在左侧和右侧的切丝。
3.1.2 材料选择及数值模拟
200 nm 厚铝异向介质样品是通过常规的光学平版5um 厚的n 型硅衬底上捏造的。高电阻率硅衬底是在太赫兹有低吸收频率，n 类基质中的浓度是4.4×10cm³和电阻率值是12Ohm/cm，如图3-1和图3-2
所示。
图3-1 衬底结构模型及其参数示意图
图
3-2 铝异向介质薄膜层的结构及其参数示意
图3-3 EIT超常电磁媒质的单元结构图
振幅透射谱样品的测定入射电场E 沿y 轴面，向8-F 共焦赫兹时域光谱技术(太赫兹-TDS ）系统。如图3-3所示，几何参数为：Px=80um，Py=140um，L=110um，l=29um，s=7um，g=5um，w=5um，δy= -28um ，h=5um，条形（CW ）结构相对U 形分立环形谐振子（SRR ）结构沿入射太赫兹波电场方向的底边较长，与入射光耦合较强，其本征振荡模式的共振线宽较大作为超辐射模，SRR 的本征振荡模式则作为亚辐射模; 同时设计中保证两个模式具有足够接近的谐振频率、高Q 值差以及适当的振幅。
在利用电磁场仿真软件CST Microwave Studio 对微结构的数值计算中，采用了周期性边界条件，沿x 方向磁场，沿y 轴方向且入射电场E ，进行仿真。
3.1.3 仿真和比较
本文中对三种模型进行仿真，且对模型的端口进行如图3-4两端相对的设计，对SZmin (1) ，Zmax （1）（传输特性曲线进行分析）
，从而对比不
同模型的仿真结果。
图3-4 模型的仿真端口设计
由于我们设计的异向介质铝在n 型硅衬底上捏造，其中铝薄膜的厚度仅为0.2μm，而n 型硅衬底的厚度为5um ，因此我们设置单位时候，我们设计长度单位为μm，频率单位为THz ，仿真的时间单位是s ，这样的设置能节省仿真时间，而且能适用于我们设计的模板的仿真，使模型设置在最佳的仿真环境下进行，保证实验的准确，确保结构准确，如图3- 6所示。
图3-5 单位设计
上文我们知道我们模型的谐振频率比较低，所以我们设计的比较频率范围0-1.5THZ ，如图
3-6所示。
图3-6 频率设计
在设计中，我们选择将一个单元上通过设计的方式，使元件能看成多个单元中的一个，从而进行仿真，会使结果更加准确，即看成周期性单元进行仿真，如图3-7所示。
图3-7 边界条件设置
图3-8 背景设计
背景环境我们设置都为Normal ，由于我们设计SRR 传播方向为x 轴方向，因此我们设计的电磁场要比SRR 的b (衬底边长) 大一点，如图3-8。
图3-9 仿真设计
3.2 模型的选择及相关的频率特性的分析
我们设计的结构中有条形谐振器和开口环，现在要通过实验比较出最佳的模型，通过下面的，只有条形谐振和只有双开口环以及两种结构都有的模型的频率特性曲线的观察，可以得出最适用观测电磁诱导透明的模型。
在利用电磁场仿真软件CST Microwave Studio 对微结构的数值计算中，设计仿真的条件的是，采用了周期性边界条件，且添加了沿着x 轴方向的磁场，电场沿着y 轴方向的电场。
图3-10 只有一对开口环时的频率曲线
图3-10显示出了衬底底线阵列在0.67兆赫（实线）显示出一个典型的局域型表面等离子体共振（LSP ）。在这种情况下，在只有开口环的情况下不能直接激发对于激发场的相对结构对称性，即电磁诱导透明。
另一方面，图3-10显示出，尖锐的条形谐振也不能激发对于激发场的
相对结构对称性。
图3-10 只有条形谐振器时的频率曲线
通过上面的分析，我们再设计这两种类型的谐振器相结合的模型，可以看出当这两种类型的谐振器通过布置在靠近内的单元电场彼此耦合在一起时，观察到类似的光谱响应的一个典型的电磁诱导透明与y 偏振光电场激励，如图3-11所示。在这个设计中，条形谐振器可以直接激励入射电
场，作为明亮的谐振器，能被激发，而对称结构的开口环作为黑暗模式。这是明亮和黑暗的谐振器之间的破坏性干扰，使人们产生一个强大的电磁诱导透明，导致在
0.67THz 一个尖锐的透明度窗口。
图3-11 双重谐振器下的频率曲线
3.3
相对位移改变的情况下的频率分析
图3-12 δy=-40.5um时的频率图像
我们已经选好两种类型谐振的模型了，然后我们考虑沿导线保持整体结构的对称性，且沿轴线保持开口环沿x 轴的横向距离保持恒定，改变开口环的垂直位移可以观察到振幅调制的透明度峰值。如图3-12，3-13，3-14，3-15，3-16所示的是，条形谐振和开口环谐振器的中心距离分别是δy= -40.5um δy= -28um ，δy=0um ，δy=28um ，δy=38um ，也可以说，δy表示的是条形谐振器到开口环的位移。
图3-13 δ
y=-28um时的频率图像
图3-14 δy=0um时的频率图像
图3-15 δ
y=28um时的频率图像
图3-16 δy=38um时的频率图像
在我们的仿真中，可以看到开口环垂直位移的改变对电磁诱导透明的影响，如图中图片的描绘。图3-12及图3-13中，当开口环谐振器δy=-40.5um ，向上移动到δy=-28um ，透明窗口逐渐收缩频率没有显着移位。最后，与进一步位移δy=38um ，电磁诱导透明的窗口功能完全消失，留下单一的宽共振倾角接近0.033938的最低传输。为了更好地理解线SRR 对系统底层的近场耦合机理，我们进一步研究了更多的情况下的频率特点，即δy=-28um 和δy=0um ，δy=28um 时，当δy=-28um ，及δy=0um 时，两个波谷之间的波峰的峰值缓慢下降，当δy=28um 时，电磁诱导透明的窗口的峰值显著下降，接近于没有电磁诱导透明的现象。从上面的实验可以看出，电磁诱导透明现象随着位移的增加而逐渐减弱。
3.4 仿真结果分析及验证
得到相应的结构后对结构形成的原因进行相关分析及验证，图模拟分布x 分量的电场在条形谐振器的周围，在δy=-52um 时。从图3-17可以看出，因为条形谐振器的下边缘的前场是最强的，所以对于开口环的缝隙附近的电线，其中x 方向上具有电场上最强的电场集中。从对比观察图3-18可以看出，δy=-52um 模型的场的分布与δy=12um 模型的场的分布差别很大，可以得出δy=-52um 模型中通过明亮模式和暗模式的激励机制相比，δy=12um 的激励机制不同，其中图3-18表示z 分量的磁场在条形谐振器的周围。δy=12um 时的电场分布图表明，z
分量的磁场穿透谐振环，激发暗条形谐振器。
图3-17 δy= -52um的在条形谐振器方向的电场及其频率曲线
因此，我们认为，主要激发的强电场耦合从导线边缘的开口环对条形谐振子的暗模式。
另一方面，从z 分量的模拟磁场图可以看出，对δy=12um 的情况下，暗模式的激励是通过导线的磁场的。由于开口环对从衬底开始沿电线被激励的，通过电场和通过磁场的导线电感的电容性开关联接结构，从而导致可以观察到的幅度调制的透明度峰值，值得一提的是，这两个激励机制的开口环对的幅度和相位沿导线向上移动。为了阐明这种相互作用的电和磁的激发途径，进一步展示的电和磁激励的条形谐振子共振的表面电流分布示于图中。图3-19和图3-20中δy=-28um 和δy=28um ，由于其相反的行为。在样品的表面电流δy= -28um 由沿着z 方向的磁场和沿着x 方向的电场的相位振荡。这两者之间的表面电流的相互干涉形成一个强有力的激励，导致条形谐振子和开口环之间的激励明显增强，从而增强暗模式和亮模式之间的耦合。
图3-18 δy=12um的在条形谐振器方向的磁场及其频率曲线
然而，当谐振环移动到δy=28um ，磁场刺激的表面电流保持不变，但电场激发出电流发生变化，其方向根据沿X 方向的电场和沿z 方向的磁场分布，如示于图3-20中。因此，这两个表面电流破坏性互动，互相抵消，抑制条形谐振器的激发，最终导致电磁诱导透明的峰值消失。在0.67 THz 的模拟的电场能量分布示于图，属于符合我们的解释。
电磁诱导透明的共振效应最为明显δy= -28um 最大电场耦合能量从导线的开口环结构，在图中可以看出，一旦导线直接入射太赫兹场就会沿电线振动激发，如图3-19。可以看出与位置δy= -28相比，位置δy=28um 的双开口环结构是处于休眠状态，因为所有的电能被限制周围导线和场等分布在条形谐振的两端，所以未能诱发循环电流在开口环（图3-20）的两端。
观察图3-20，我们可以得出结论：在δy=28um 的超常媒介的结构确实只支持LSP （等离子体共振）的共振，并且没有激发谐振环，因而没有电磁诱导透明的现象。
通过这种调节机制我们可以看出，电磁诱导透明峰值调制，取决于开口环和条形谐振子相位差，也取决于导线到黑暗模式反过来的开口环和这种耦合方式的明亮模式沿z 方向的磁场和激发在电线之间沿x 方向的场。
图3-19 δy= -28um
情况下双重谐振类型模型和双开口环被激励从而产生的周围的磁场
图3-20 δy=28um情况下沿z 轴方向磁场及条形谐振器周围磁场
从图3-20可以看出开口环周围没有磁场，即短线没有激发开口环，此时没有电磁诱导透明的现象产生。
结论
我们首先介绍了电磁诱导透明的概念、原理和发现进展；分析了基于超常媒介的短线和开口环的应用机理和设计要求。我们研究了开口环和短线相互作用的模型，设计了三种模型，通过CST 软件对三种模型的仿真得出开口环和短线相作用的模型，并在之后对这一模型进行了仿真及相关应用。在太赫兹的干扰而产生不同的超常媒介黑暗模式的激发途径，从而研究不同途径下的对电磁诱导透明的影响的相关途径及方法。沿导线定向的外部入射场激发在条形谐振器和开口环的LSP 共振，改变开口环与短线中心距离，而不改变双开口环的距离的模型，进而观察相应的频率曲线，从而讨论位移的改变对电磁诱导透明现象的影响。我们对改变开口环的位移而相应的电磁诱导透明现象发生相应的改变，观察沿X 方向的电场以及沿Z 方向的磁场，提出相应的电磁诱导透明现象的改变原理，最后再对该原理进行验证。
一、根据洛伦兹振荡模型，有AP 2相之间的有差异的沿着z 方向的磁场和沿着x 方向的电场。根据麦克斯韦方程组的预测，相位与磁场的磁感应面电流，而电性引起的表面的电场相对于p=2时的电流滞后。因此，表面的感应电流由沿z 方向的磁场和沿x 方向的电场将有p 或0，这导致的破坏或表面之间的相干涉电流的相位差。
二、在本论文中，我们充分讨论了，开口环及短线两种谐振子的搭配运用，怎样产生电磁诱导透明现象，又根据其频率特征选择相应的模型，并使开口环与短线的中心位移改变，相关的频率曲线进行观察，得到其电磁诱导透明现象的改变，在最后根据其磁场对该现象产生的原因作出相应的结论，对结论进行相关的验证。
三、我们的实验对观察电磁诱导透明时的模型选择作出了相关示范，并对模型的改变对电磁诱导透明现象的影响作出阐述，并对原因进行分析，为以后的开口环和短线双模型引起的电磁诱导透明给出了相应的借鉴。
致谢
本论文是在贺训军老师的悉心教导和亲切关怀下完成的。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，贺老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。贺老师的博学，让我知道学海无涯仍需努力；贺老师的勤奋，让我明白天道酬勤要坚持始终；贺老师的朴实，让我明白善良的价值；贺老师的大度，让我能以宽容之心面对生活。贺老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，生活中，他教我们如何真诚做人、踏实做事；每一次的谈话都如同春风化雨，指引着我们沿着正确方向前进。在此谨向贺老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。
我还要感谢在一起愉快的度过毕业论文小组的同学们，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长，同学，朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！特别感谢颜世桃和吉训侦同学做的大量的工作。
最后再次对关心和帮助我的老师，同学表示感谢！
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附录
基于相位耦合的操纵平面超常媒介电磁感应透明
我们的实验展示了一个可控制的电磁感应透明（EIT ）的像在由两个相同的开口环谐振器（谐振环）与侧侧对称的平面超常媒介在微波频率下的光谱响应。在我们的方案中，采用相位耦合两者之间的谐振环（作为明亮模式），这是强烈兴奋入射波，发现类似的电磁诱导透明的光谱响应，可以通过简单地调整入射角控制。因此，我们的方案可用于电磁波切换。可以得到高慢光应用指数和高品质的因子，通过简单的控制入射角。 VC2012年美国物理研究所。
引言
完善的过滤电磁波频率通常选择表面周期性结构。因此，他们作为一类新型超常媒介，人造纳米/微结构的电磁材料，表现出很多有趣的现象，入射光在亚波长范围，如负折射指数和非凡的光学传输操纵基础。此外，他们是一个传统的模拟电磁感应透明（EIT ），张某等人。首次提出在平面超常媒介组成的光明和黑暗模式，基于近场耦合电浆电磁诱导透明。刘等人用实验验证的德鲁德阻尼限制使用堆叠的光学超常媒介组成的光明和黑暗模式，分离介质间隔电浆电磁诱导透明。这些近场耦合计划链之间的耦合强度的光明和黑暗模式，需要精确的光刻控制。省却了这些要求的近场耦合，Kekatpure 等人证明了模拟的等离子激励元的电磁诱导透明在一个系统中的纳米级的表面等离子体激励元谐振器天线耦合的单模硅波导的光频率，根据天线之间的相位耦合。使用开环谐振器（谐振环），作为人工纳米/微结构材料，詹等人的元素。和Singh 等人。实验表明，平面超常媒介在太赫兹频率范围内表现出一个模拟的电磁诱导透明。
最近，使用在微波频率范围内的谐振环，提出了类似的电磁诱导透明的光谱响应，可能出现在被困的模式的基础上的平面超常媒介。随后，Papasimakis 等。研究类似的EIT 的独立被困的模式的基础上的平面的超常媒介的偏振和入射角的光谱响应。基础上耦合明亮和黑暗模式，TASSIN 等。张某等人。提出并实验验证计划在平面超常媒介组成的切割线和SRR 的企业所得税样的光谱响应。在他们的方案中，他们使用的非对称结构，由两个不同的元素。使用两个相同的元素，作为两个明亮的模式，它也有可能实现的电磁诱导透明般的效果。
在本文中，两个相同的谐振环之间的相位耦合的基础上，我们提
出和实验验证新的计划可控经济转型光谱响应像在平面的超常媒介在微波频率上，由两个相同的谐振环带侧端对称（图1）。这是众所周知的结构的不对称性是至关重要的实现电磁诱导透明行为。我们的方案中的两个相同的元件其结果是，类似的电磁诱导透明的光谱响应可以
通过简单地调节的平面波的入射角度进行切换，由于非正常的发生率诱导不对称。
一、实验和模拟
图1给出了原理图的调查结构。超常媒介结构的制作中，使用传统的印刷电路板（PCB ）35流明厚的印刷电路板基板上的铜图形的过程。在PCB 基板的厚度和介电常数是0.8毫米和4，分别用介电损耗角正切为0.035。铜的导电率是15.96107钐。样品的整体尺寸约15×1030CM 2。在图的标题中所提供的详细的几何参数。我们的方案中的单元电池，在PCB 基板上的相同的谐振环的侧端安排在。入射平面的是yz 平面上，并平行于x 方向的电场E 。两个相同的谐振环作为明亮的模式强耦合入射平面波。当光的入射角是0（不为0），这两个开口环结构具有相同的（不同的）阶段。的透射光谱的测量使用的是惠普E8362B 网络分析仪连接到微波标准增益喇叭天线在自由空间中。使用有限的集成包（CST 微波工作室）的数值进行计算。
二、结果与讨论
图2（a ）给出了各种的入射角，用介电损耗角正切为0.035 PCB 基板的微波频率范围的测量和模拟的透射光谱。黑色（在线）和红色（在线）实线代表模拟透射谱在入射角0º和40º，分别为而黑色（在线）和红色（在线）的虚线是对应的测量。从图图2（a ），达到相当不错的实验和模拟结果之间的协议。如果光的入射角为0º时，两个谐振环是由具有相同的相位的平面波入射激发。在这种情况下，会发生电磁诱导透明没有模拟的对称结构中，只有一个单一的谐振峰出现在15.4 GHz 的频率。另一方面，如果光的入射角是40º，模拟的电磁诱导透明明显地表现出来的基于相位耦合之间的两个谐振环。显然，体现的电磁诱导透明的模拟取决于在我们的受限制的并排对称结构的两个谐振环之间的相位的差异。为了理解介电损耗的作用，我们模拟了具有小的介电损耗角正切在PCB 基板的透射光谱。图2（b ）示出了不同的入射角（0º，15º，和30º）与模拟的透射光谱的介电损耗角正切为0.0025，在PCB 基板，这是近10倍小于实验值。显而易见的是，可以提高使用的基板具有较小的介电损耗角正切的电磁诱导透明等的响应。基板的光谱响应就变得更明显，作为入射角的增加（即增加的相位差）。此外，高度分散的透射光谱和在PCB 基板具有小的介电损耗角正切为获得高透射峰。高度分散的透射光谱的结果，在一个高的组索引和品质因数。为了进一步支持上述的断言，透射峰的频率
处的磁场的
z 分量的分布分别示于下图
图3（a ）和图3（b ）为0º和30º分别与30º和10º的相位，为的
入射角。图3（c ）和图3（d ）示出的电场的x 分量的分布，分别与120º和100º的相位为0º和30º的入射角。的磁场为p/ 2的相位相对于电场。从图3（a ）和图3（c ）中，当入射角为0º时，两个谐振环被激发由入射平面波的电场分量具有相同的相位。此外，两个激发谐振环的磁场是在z 方向上彼此相对的，因为在面对杆的两个激发谐振环的感应电流在相同的方向上振荡。由于避免被取消，彼此都是非常强的，相同的电流的方向所产生的散射场，例如，只有一个单一的谐振峰出现在15.4 GHz 的频率。因此，模拟的电磁诱导透明不能出现在垂直入射在侧侧对称结。
从图3（b ）和图3（d ）中，通过与磁场的z 分量的耦合，当被激发的磁谐振模式的两个谐振环的角度的入射IS30。由于光的入射角不为零时，两个激发谐振环的磁谐振模式具有不同的相位，如示于图 3（b ）和图3（d ）。此外，两个激发谐振环的磁场沿z 轴在同一方向，因为在面对杆的两个激发谐振环的感应电流在相反方向的电流所产生
的散射场是非常弱的，因为在相反的方向摆动它们互相抵消。具有不同相位的两个谐振环之间的干扰显着地减少侧侧的对称结构，它表现为在自由空间中的辐射损失。因此，一个尖锐的透射峰出现在谐振频率。如果入射角的进一步增大，相位差也增大，磁谐振模式的两个谐振环变得更强，因为入射平面波的增加磁场的z 分量。在我们的方案中，如果相位差的增加，可以得到高的透射峰。对称性缺陷实现的电磁诱导透明般的效果，是非常重要的。在最近的研究中，很多人都提出电磁诱导透明般的光谱响应使用不对称的结构，其中包括两个不同的元素。在我们的方法中，我们使用一个对称结构，而入射角被调整
到破坏的结构的对称性。因此，一个可控类电磁诱导透明的光谱响应，可实现在一个平面的对称结构。
图4（a ）给出的最大透射率和品质因数的依赖性，入射的角度为
5〜40，增量为5为s=0.8毫米，用于PCB 的介电损耗角正切为0.0025基片上。的最大传输增加从0.05到0.8，而从275减少到33和318到40的品质因数，对品质因数的评价使用Q = f0/Df，其中f0是最大传输频率，和Df 是最大值一半处的全宽度。当入射角为15º，最大传输的Q 因子是0.45和115，分别和组指数为190，如图所示。图4（b ）。组索引使用的公式估计NG ¼nþx （DN/ DX），其中n 是有效折射率。
三、结论
使用两个相同的谐振环与侧对称的平面超常媒介的组成，我们提出了一个新的计划，一个可控的类电磁诱导透明在微波频率的光谱响应基于两个谐振环之间的相位耦合。在我们的研究中，因为两个明亮的模式之间的耦合引起高度分散的透明度，有较高的Q-因子和一个更大的频率指数。因为可以通过简单地调节的平面波的入射角度进行切换的电磁诱导透明等的光谱响应，我们的方案可用于电磁波切换。另外，在PCB 基板的低介电损耗正切值是必要的，在我们的计划获得的高分散的透射峰。
四、致谢
这项研究是支持优研究中心计划通过韩国国家研究基金会（NRF ）由教育部资助，科学与技术（MEST ）（2010-0029760）和NRF 授予由韩国政府资助（ MEST ）（No.2011-0017605）。
基于开口环和短线超常媒质结构的电磁诱导透明
研究
摘 要
利用新型人工电磁媒质来模拟电磁诱导透明（Electromagnetically Induced Transparency ，EIT ）现象是新兴的电磁学研究方向，有望让本属于量子光学领域的电磁诱导透明现象的高Q 值、低损耗和大群折射率等优势得到更广泛的应用。并且对于开口环和短线的相关位移的改变，导致频率发生改变，从而讨论位移的改变对电磁诱导透明现象的影响，使开口环和短线系统在其相互作用和电磁诱导透明的发生机理上得到了解和运用，使电磁诱导透明现象得到相应推广和应用。
本文在传统太赫兹电磁诱导透明人工电磁媒质的设计中引入异向介质和常规的光学平板，本论文的设计中加入两个电场和磁场，分立环形共振子对为沿短线改变其相对位移但不改变谐振器之间的横向距离，且利用电和磁的刺激途径的黑暗模式使电磁诱导透明共振出现巨型调幅。本论文实现了讨论开口环和短线的模型的相关运用才能出现实现电磁诱导透明，以及改变开口环的相对位移使频率的图像出现大幅的改变，根据频率的图像观察电磁诱导透明现象，进而讨论了相应现象的原理，对原理进行了验证，实现了主动式的类电磁诱导透明调制；同时通过其透射谱和电场分布，阐述了电磁诱导透明动态调制的原理，为开发利用类电磁诱导透明效应的新型太赫兹调制器件和可调谐的慢光、延时器件提供了新思路。
关键词 电磁诱导透明；人工电磁媒介；太赫兹；开口环
term extraordinary medium EIT
Abstract
To simulate the electromagnetically induced transparency using the new artificial electromagnetic medium (Electromagnetically Induced Transparency, EIT) is a new research direction of electromagnetism, is expected to make the high Q belongs to the field of quantum optics, electromagnetic induced transparency value, low loss and large refractive index and other advantages to be more widely applied. And for the relative displacement Split-ring Resonator and short-term change, causes the frequency change, and discusses the influence of displacement change phenomenon of electromagnetic induced transparency, Split-ring Resonator and short-term system understanding and using mechanism of transparent in its interaction and the electromagnetic induction, the electromagnetically induced transparency phenomenon corresponding to the promotion and application.
The design based on the traditional terahertz electromagnetic induced transparency artificial electromagnetic medium is introduced in aluminum meta material and optical flat conventional, with dark mode resonance in two added electric and magnetic fields Split-ring Resonator double conversion as the lateral distance along the wire changed without changing the resonator between, and use the dark pattern stimulus approach and magnetic to electromagnetically induced transparency resonance appears huge amplitude modulation. The discussion of open loop and the short-term model related to the use of electromagnetically induced transparency can be achieved, and the relative displacement of an open loop frequency change make images appear dramatic change, according to the image of electromagnetic frequency induced
the principle is verified, the active class of electromagnetically induced transparency modulation; at the same time through the transmission spectrum and the electric field distribution, expounds the principle of transparent dynamic modulation of electromagnetic induction, provides a new idea for the novel frequency modulator induced transparency effect for the development and utilization of electromagnetic and slow light, tunable delay device.
Keywords EIT ，artificial electromagnetic medium ，terahertz ，Split-ring Resonator
目 录
摘要................ . ..................................................................................................... I Abstract...... ......................................................................................................... II
第1章 绪论 . ....................................................................................................... 1
1.1 超常媒质 . ............................................................................................... 1
1.1.1 超常媒介的制备 . ......................................................................... 2
1.1.2 超常媒介的组装 . ......................................................................... 3
1.1.3 超常媒介的发展方向 . ................................................................. 4
1.2 电磁诱导透明的内外发展现状 . ........................................................... 4
1.3 课题研究的目的和意义 ........................................................................ 7
第2章 电磁诱导透明相关的基本理论 ............................................................ 9
2.1 课题涉及到的相关元件及理论 ............................................................ 9
2.2 电磁诱导透明(EIT) ............................................................................... 9
2.3 太赫兹电磁脉冲 .................................................................................. 10
第3章 仿真与分析 . ......................................................................................... 14
3.1 结构设计与仿真 .................................................................................. 14
3.1.1 结构设计 . ................................................................................... 14
3.1.2 材料选择及数值模拟 . ............................................................... 14
3.1.3 仿真和比较 . ............................................................................... 16
3.2 模型的选择及相关的频率特性的分析 . ............................................. 19
3.3 相对位移改变的情况下的频率分析 . ................................................. 21
3.4 仿真结果分析及验证 . ......................................................................... 24
结论 . ................................................................................................................... 27
致谢 . ................................................................................................................... 28
参考文献 . ........................................................................................................... 29
附录 . ................................................................................................................... 31
第1章 绪论
1.1 超常媒质
超常媒介（Metamaterial ）是21世纪物理领域的新兴词汇，常出现在各类文献中。目前为止对于“Metamaterial ”尚且没有严格和权威的定义，国内对其翻译不甚统一，常见的包括：“左手材料”、“左手媒介”、“异向材料”、“超媒介”、“超常媒介”、“新型人工电磁材料”等等，本文统一翻译为“超常媒介”。
“超常媒介”是指一些具有天然材料所不具备的超常物理特性的人工复合结构或者复合材料。通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表观自然现象的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。
超常媒介重要的3个重要特征：
①超常媒介通常是具有新奇人工结构的复合材料。
②超常媒介具有超常的物理性质（往往是普通物质不具备的性质） ③超常媒介性质往往不取决于构成材料的本征性质，而是取决于其中的人工材料。
超常媒介是成周期性排列的单元结构尺寸小于入射电磁波波长的复合人工电磁材料。超常媒介可以使电磁波在结构中产生特异新奇的电磁特性，比如负折射现象、反Doppler 效应[1]、反Vavilov-Cerenkov 效应、衍射极限突破成像、伪装等等特性，这些特性都是自然界普通所不具备的。这些特性是有它的组成单元决定的而非它的组成材料。这些理论是
Pendry [2]等人提出，由Smith 等人实验证明的，由于其可以广泛应用于超透镜[3]、光速减速[4]、数据储存、光交换等等方面，让众多的工程师和物理学家产生了巨大的研究兴趣。到目前为止，对此的制造、设计和应用超常媒介已经扩展到相当宽广的电磁光谱范围，包括长、中、短红外线波段甚至到了光频段[5]。
目前，国际上学者将由人工设计的、具有特异电磁性质的结构安排制备形成的材料统称为超常媒介。近年来人们对这种超常媒介特别感兴趣，原因在于这种超常媒介结构的周期长度远小于电磁波波长，有利于器件的小型化和集成化，这是普通的光子晶体无法比拟的。超常媒介有单负材料
[6](single-negative materials：SNG ) 和双负材料(double ．negative materials：DNG ) 两种。把介电常数和磁导率均为负的材料称之为DNG [7]，即左手材料[8](1eft ．handed materials ：LHMs ) ；把介电常数和磁导率仅有一者为负的材料称之为SNG [9]。相应地将同时具有正介电常数和正磁导率的材料称为双正材料(double positive materials ：DPS ) 即右手材料(right handed
materials ：RHMs) 。而其中利用新型人工电磁媒质来模拟电磁诱导透明现象是新兴的电磁学研究方向，有望让本属于量子光学领域的电磁诱导透明现象的高Q 值、低损耗和大群折射率等优势得到更广泛的应用。并且对于开口环和短线的相关位移的改变，导致频率发生改变，从而讨论位移的改变对电磁诱导透明现象的影响，使开口环和短线系统在其相互作用和电磁诱导透明的发生机理上得到了解和运用，使电磁诱导透明现象得到相应推广和应用。本论文就是基于超常媒介对电磁诱导透明进行研究与相关现象的讨论。
1.1.1 超常媒介的制备
1．SRRs 制备工艺
Pendry 通过对电磁场理论的分析首先提出了具体设计超常媒介的方法，即SRRs 。在经典的电磁场理论中，材料的性质一般可以由Drude-Lorentz 很好地描述，对于对于开环共振器(SRRs ) 和细金属导线构成的复合微结构而言，根据该理论，介磁导率与介电常数的表达式形似，分别为：
F ω2
μ(ω) =1-22ω-ωm +i Γω (1-1)
2ωp ε(w ) =1-ω(ω+i γω) (1-2)
其中ωm 是体系的磁共振频率, F 表示金属占据格子的体积分数, i 为虚数单位, Γ为损耗频率(远小于ω) 。其中为ω电子的等离子体共振频率, 而γ为m p
损耗频率。由上式可推知，当大于共振频率ωm 时，SRRs 体系将出现负的磁导率；当ω
2．非SRRs 制备
如上所述，制作超常媒介最基本与重要的思想就是在某种关键尺寸上层次的有序排列，通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计来突破某些表观自然规律的限制。SRRs [11]是这一思想的典型代表。另一种广为使用的方法是利用电子束曝光系统等设备在薄层上制造出“超常媒介”。这一方法强调了材料的重要性。对于光子晶体材料[12]，人们在实验上长期追求的目标是实现光频段的完全光子带隙。有研究者选择了银作为介电背景，银在可见光范围的折射率在0.2～0.4左右，且有很好的透
光性。利用化学过程将银引入到聚乙烯微球晶体[13]，结果获得了具有接近完全带隙的光子晶体。目前，已有研究人员利用已广为光学工业界接受的斜角沉积技术为基础，发展出一项可以大规模生产光学超常媒介的技术。研究人员以伯这种技术在硅基板上制作银纳米柱构成的薄膜，该薄膜能以特殊的方式操控光，在光电产业上具有广泛的应用。然而，截至目前制作出来的超常媒介只能在有限的频率范围内工作，而且很难大量生产。为克服这个问题，任贻均[14]等(Yi Jun Jen ) 等采用了斜角沉积法来制作超常媒介。任等先以电子轰击银块材使其气化，然后让银蒸气沉积在2英寸厚的硅基板上，通过调整基板的倾斜角度，让银在自我遮蔽效应作用下，优先朝蒸气注入的方向生长成纳米柱长成的银薄膜厚240nm ，银纳米柱长650nm 、宽80nm ，并与基板法线夹66度角。研究人员以波长介于300至850nm 的光照射样品以测量其光学特性，结果发现在波长介于532至690nm 间会产生负折射，而理论上该系统在可见光波段(380-750nm ) 都会产生负折射。可以预见，由于斜角沉积法是一种平面技术，这种方法应该能轻易地与微电子制程整合。
1.1.2 超常媒介的组装
超常媒介基本结构的尺寸在微纳级别。以上两种方法的不足之处在于其制作工艺与过程复杂。正如半导体工艺中的单晶硅，能沿某一晶向实现自我结构的“复制”，如果能使超常媒介的基本结构单元也能实现自我机构的自我组装与复制，将能大大提高超常媒介的制造效率，如同单晶硅的制造一样。超常媒介的自我组装也成为了目前的热门方向，并取得了进展。最近，康纳尔大学乌力·韦斯勒等通过其最新研制出的纳米制造技术，实现了超常媒介自我组装。乌力·韦斯勒[15]等提出的一新的方法则可使用化学方法让嵌段共聚物自我组装成纳米结构的三维“超常媒介”。其实验理论指出，聚合物分子链接在一起形成固体或半固体材料。而嵌段共聚物由两个聚合物分子的终端链接在一起形成，当两个聚合物分子的终端完全相同时，将会链接形成一个相互关联的、具有重复几何形状（如球形、圆柱形或回旋形等）的图案，组成这些重复图案的单元可能纳米小至几宽。这些结构形成之后，两个聚合物中的其中一个能被溶解，留下一个三维模型，可将金属（一般是金、银）填充于其中，另一个聚合物随后会逐渐消失，留下一个多孔的金属结构。随后乌力·韦斯勒等利用这些金属回旋物设计出具有负折射率（能让光在相反方向弯曲）的材料。
他们假定金属结构由金、银或铝制成并逐一进行了计算实验，结果发现，使用银时才能获得满意的结果。乌力·韦斯勒等表示，他们正在让这些能在可见光范围内工作的超常媒介变成现实。
1.1.3 超常媒介的发展方向
超常媒介将有可能是一种前途不可限量的的新型材料。但是在目前，离到真正大规模的生产与使用还有许多的难题有待克服，这也将成为未来超常媒介研究的主流方向并能有很多重大突破的领域。 一个重要的研究方向是使超常媒介的工作频段增大。目前，超常媒介的频段还只能达到红外层次。在最新的任贻均等人的研究成果中，显示已能使最小波长为690nm 的可见光波产生负折射效益[16]。但对于未来将具有重要应用的超级透镜与隐形斗篷来说，其工作波段最少应覆盖整个可见光波段。如何能使更宽的光波波段实现负折射，将是未来超常媒介发展的重要课题
另一个研究方向是使超常媒介获得具有“各向同性”的特性。无论是从Jendry 的隐身斗篷理论还是从最新的研究成果来看，大多数研究出来的负折射率材料仅能在某些角度上实现负折射现象。如何能使超常媒介能实现具有各向同性的特性，让隐身斗篷无论从哪个角度看都是隐身的，使隐身衣的设计可以随心所欲而不受其形状的控制，将是超常媒介的另一个重要课题。
第三个研究方向是获得大规模地制造大体积的超常媒介的方法。这一方向包括两点，一是大规模高效率地制造超常媒介，正如人类大规模地制造单晶硅一样；另一点是如何增大超常媒介的体积。目前实验室仅掌握在平面上的超常媒介的制造工艺，具有三维空间的立体超常媒介还未实现。同时表面工艺也仅仅局限在很小的面积上，这距大规模地使用还有很长的距离。如何实现大规模的制造是实现超常媒介的广泛使用的重要前提。或许人们可以从单晶硅的制造方法出发，寻找到新的方法与工艺。在这一方向上的重要理念是超常媒介的自我组装与复制，正如前文所述，这一方向已取得了很大的突破。
1.2 电磁诱导透明的内外发展现状
电磁诱导透明（EIT ，Electromagnetically induced transparency ）一般是用两束光同时照射到原子介质（如大量原子组成的气体），使得其中一束光能够在与原子跃迁共振时通过原子介质而不产生吸收和反射的现象。如图1-1及图1-2所示，对于能级结构为 的原子可分别与耦合信号或探测信号共振耦合。当同时施加两路信号并且EIT 发生时，探测信号可以无损的通过原子介质而不被吸收和反射。
图1-1 为
Λ的原子与探测信号共振耦合
图1-2 Λ的原子与耦合信号共振耦合。
Harris [16]等人1991年在锶原子蒸汽中第一次实现了EIT ，由于EIT 会带来介质许多性质的奇特变化，因此还有与EIT 相关的许多其它方面的研究，例如：粒子数相干布居囚禁（CPT ，coherent population trapping ），无粒子数反转激光（LWI ，lasing without inversion ），非线性光学. 由于介质折射率的变化会导致探测信号的群速度减慢甚至停止，因此也有许多慢光传输、停光以及光存储方面的研究。
早期的EIT 研究都是基于气体原子展开的，由于气体原子可以实现的透明光频较宽，一般可从紫外到红外区域。另外，气体原子的退相干时间较长，与光场的作用比较容易实现，但对于实际应用来说固体更具有潜在的优势。首先，固体易于存放并且加工技术成熟，易于集成化和规模化，比较适于制作器件；其次，固体中不存在诸如气体的扩散效应，不会因为扩散运动影响器件的性能。可是，固体实现EIT 也存在着退相干时间短，容易受外界耦合噪声干扰，晶格缺陷无法彻底消除等弊端。因此，有关固体EIT 的研究主要都是在退相干时间较长的材料中展开的，比如掺稀土离子晶体、低维半导体GaAs 材料和氮空位色心金刚石（N-V color centers in diamond ）等。
自从Harris 等人于1991年首先发现EIT 现象以来，很多研究者对有关EIT 的稳态过程进行了实验研究，从原子体系中的EIT 现象到分子体系中的EIT 现象，从最初在类似Λ-型体系中的EIT 研究和后来在级联体系中的EIT 研究，到最近在双能级体系和四能级体系中的EIT 研究都进行了大量的工作；但有关EIT 的物理本质尚有待深入研究，特别是有关EIT 的瞬态研究才刚刚起步，需要下大力气进行该方面的研究，这也是本课题的重点所在。本课题主要从电磁感应透明的物理本质出发来研究其对实际的指导作用。
以前，EIT 的绝大部分实验研究集中在诸如铷、铯、氢等气体介质方面；最近几年，才开展固体介质和半导体介质中的EIT 实验研究，并由此引出了许多新应用。在固体材料中采用EIT 技术，使得光信息存储[17]成为可能；在半导体中采用EIT 技术，使全光学波长转换器[18]的产生成为可能，并由此预言在不远的将来可实现非反转型激光器的运转[19]。关于EIT 的研究，也开始由单光子和双光子EIT 过程的研究，转向三光子EIT 过程的研究。在热原子气体中已观测到三光子EIT 现象[20]，这是一种新的非多普勒展宽型吸收透明共振效应。由于三光子EIT 的透明效应跟一般单光子EIT 相比，具有更窄的线宽，可广泛应用于高精密度测量等领域。
三能级模式原子介质的电磁诱导透明与两能级模式原子介质的自诱导透明(self-induced transparency ) 有着根本的不同。这不仅体现在形成机制上，也体现在实际应用上因为自诱导透明（简称SIT ）甚至难于发送具有高斯光束横剖面的一个光束，而电磁诱导透明不仅可以发送这样的光束，并且还能较好地传翰光束载有的全部信息。当然，电磁诱导透明的应用也受到很大限制，这除了对给定介质的制备需要高、难、苛、严的条件而外，还受到它自身原理性的颇多制约。比如，要使电磁诱导透明脉冲在制备好的介质中得以传播，藕合激光中单位面积的光子数一定要超过途经路线上被其振子加压的原子数对于短的脉冲，其能量要同原子密度与介质长度的乘积成线性变化电磁诱导透明才会有效。又如，须让激光峰值功率一定要充足到使电磁诱导透明的透射功率，超过喇曼（Raman ）跃迁的线性展宽所要求的功率 在两个光场的拉比频率可以比拟的情况下，两光场脉冲长度一定要同喇曼跃迁的相移时间相对应等等。
自从意大利比萨大学的G. 阿尔热塔（Gerardo Alzetta ）和他的同事在1976年发现电磁诱导透明物理效应的本质以后，直到20世纪90年代初美国斯坦福大学的S. 哈里斯（Stephen Harris ）小组才成功实现了电磁诱导透明。后来经过人们的不懈探索，发现用电磁诱导透明技术不仅可以造就一批新型高技术设备，而且可能实现量子信息的再现贮存和贮存期间的再加工。
量子信息贮存的大致操作是这样的当探侧脉冲全部包含在制备好的原子介质中后，突然关闭润合傲光，探侧脉冲就会立即为原子所吸收，它所携带的信息也就“压印”在原子介质上，若要读取这些信息，则只需接通藕合激光，那么包含原有信息的探侧脉冲就会再现并且继续在原子介质中缓慢爬行。要是藕合激光采取短促的断续接通方式，则“原来的”探侧脉冲就可以分段多次再现其中每一段都依次只包含“压印”在原子介质上信息的一部分。当然，探测脉冲的信息贮存时间和相邻两次读取的间隔时间都不能“太长”（多在数百徽秒之内），信息取出次数也不会太多（这由制备原子介质时选择的参量决定，一般3次以内就能把贮存的信息取完）。为使取出的信息失真最少，应让原子介质的温度降到T 。以下更多些，因
为只有将钠原子的热运动减至最小，才能少抹掉原子间的相对位相而获取高质量的再现信息。
人们经过分析后惊喜地发现，前述系统完全可能用于量子信息的转换（即快速运动的量子态（光脉冲）与静止态（偏振子）之间可靠的相互转换），通过操纵原子间的相互作用方式，还可能实现对量子信息的再加工。这对于酝酿中的量子计算机的研发，无疑是一种极大的鼓舞。
如果采用钠原子的另一种三能级模式，则对于在BEC 温度以下制备的原子介质，当藕合傲光具有更稳定的频率和更低的强度时就可使探测傲光脉冲在原子云中的速率达到每秒厘米量级，这已能同玻色一爱因斯坦凝聚体中的声速相比拟。若声子激励期间让探侧脉冲在原子云中传播，审慎地调谐另一激光至钠原子的2>→4>态跃迁，则可论证是否实现了单个光子水平上的光学开关。
利用线形实部在零吸收点附近的折射率曲线陡峭的斜率，可以设计出更为灵敏的磁场计，用于探测极稀少物质的存在，如被别的方式吸收了的低丰度同位素的探测等等。
另外，从电磁诱导透明的角度去探讨光学压缩、量子非破坏性、宇宙学中的黑洞、量子非定域性、原子能量的极精确测定等问题，也将会大有裨益至于对无反转激光器、光学参量放大器、极宽频带的光学变频器等仪器设备的研制，电磁诱导透明技术也必然显示它不容小视的威力。
总之，电磁诱导透明技术的应用开发是大有可为的，仅从上面列举的就预示了它光辉灿烂的前景。
1.3 课题研究的目的和意义 近几年，超常媒质(metamaterial)伴随着其分支——左手介质的迅猛发展而不断受到固体物理、材料科学、光学和应用电磁学领域内的广泛青睐。所谓超常媒质，是指具有天然媒质所不具备的超常物理性质的一类人工复合媒质或结构的总称，其物理性质是由结构而不是材料特性决定的，EIT 人工电磁媒质的产生原理是两个谐振频率相等，Q 值差别足够大，同时振幅适当的模式之间的相消相干。这种相消相干主要体现在亚辐射模式对超辐射模式的抑制作用，使得超辐射模式无法很强的振荡起来，光谱响应中表现为产生了两个新的共振模式（两个谷），由此产生了两个谷之间很窄很锐利的透射峰。
电磁诱导透明的相消相干作用使得介质在一个宽的吸收带中产生了一个很窄的透明区，同时在这个透明区内伴随着很大的群折射率，表现出极好的选频和慢光特性。EIT 效应已广泛应用于慢光、光信号处理、光存储、光传感等的研究，尤其借用各种人工电磁结构模拟EIT 现象的相关研究成为了新趋势。与传统的EIT 介质相比，人工电磁媒质在室温下就会表
现出其特性，通过调整金属微结构的尺度就可对不同频带的入射光做出响应，因此这种获得类EIT 效应的手段更为可行。目前，国内外关于太赫兹EIT 人工电磁媒质的研究已涉及了几何形状、结构尺寸、耦合距离和耦合方式等方面；其中在几何形状方面，一系列的微结构被用来实现类EIT 光谱响应，如金属条[21]，分立环形共振子(SRR) [22]，耦合波导微腔谐振子和其他多层结构[23]。但目前关于类EIT 效应的调控仅限于被动式的，即通过改变微结构本身来产生不同的响应特性，而实际应用中需要实时调制。
本文在太赫兹波段研究了EIT 人工电磁媒质，在传统太赫兹EIT 人工电磁媒质的设计中引入了异向介质薄膜。借助黑暗模式共振，在加入两个电场和磁场时分立环形共振子双转换为沿电线改变位移而不改变谐振器之间的横向距离实现了主动式的类EIT 现象，为开发利用类EIT 效应的新型太赫兹调制器件和可调谐的慢光器件开辟了新道路。
第2章 电磁诱导透明相关的基本理论
2.1 课题涉及到的相关元件及理论
我们观察励磁和调整的电磁感应透明（EIT ）由不同的激励途径的平面太赫兹异向介质中的黑暗模式之间的干扰。电磁诱导透明的发生机制由切丝作为明亮的谐振器和一对拆分环谐振器 (SRRs) 作为超常媒介元素组成。
黑暗模式共振在两个电场和磁场条件下时，一对开口环（SRR ）的位置变化进而影响电磁的激励，其中位移变化特点是：为经过沿线改变位移而不改变谐振器之间的横向距离。利用电和磁的刺激途径的黑暗模式使电磁诱导透明共振出现巨型调幅。
2.2 电磁诱导透明(EIT)
电磁诱导透明（Electromagnetically Induced Transparency ，EIT ）指通过光原子激发通道之间的量子相消相干导致光在原子共振吸收频率处吸收减小甚至完全透明的现象。
EIT 的发现及其物理机制
1988年Kocharovslaya 和Khanin 以及1989年斯坦福大学的Steven Harris [13]分别在各自的文章中独立地提出了关于EIT 的前期理论，为EIT 的发现打下基础。这2篇文章都提出了同一概念——无粒子数反转光放大，即在某一过程中可以出现一种特殊激光器，这种激光器不需要产生一般激光时所必须的粒子数反转放大条件。一般理论认为，当产生激光跃迁的上能级粒子数与下能级粒子数相等时，介质最终达到饱和。根据爱因斯坦速率方程，无粒子数反转光放大是不可能实现的。而Kocharovslaya ， Khanin 和Steven Harris 等人提出由于介质中同时存在受激辐射和受激吸收2个过程，因此不能实现无粒子数反转光放大；但是如果使受激吸收过程不存在，或使之大大减少，就有可能实现无粒子数反转光放大。
于是，研究者开始探索如何实现减少受激吸收，甚至完全不吸收。1991年，Harris 等人首次在实验中观测到电磁场诱导介质透明现象。实验是在锶气中完成的，采用脉冲激光器与类似Λ-型原子体系发生相互作用。如图2-1所示，在2>→3>能级之间加入强共振泵浦场，同时采用弱探测场探测>→3>能级之间的吸收谱线。实验结果表明，当关闭泵浦场时，探测场通过介质后的透射比为exp(-20) ，而当打开泵浦场时，透射比上升为exp(-1) ，这就是著名EIT 现象。也就是，当介质与一电磁场发生耦合作用时吸收能量，但用另一电磁场探测介质的吸收谱线时，发现只要这两个电磁场与原子能级之间满足双共振条件，介质就不再吸收场能量， 而
变成透明的了。这是因为相干电磁场与原子体系之间的相互作用可以导致原子态之间的相干叠加，同时原子态之间的相干叠加又可以显著地改变原子体系与电磁场之间的相互作用。产生EIT 现象的双共振( 探测吸收共振) 被称作“黑色共振(dark resonance) ”，或者说原子系统处于一个“黑色态
(dark state)”上，这个态不与电磁场发生耦合作用。
图 2-1 首次在锶气中观察电磁诱导透明现象的能级结构
2.3 太赫兹电磁脉冲
太赫兹电磁脉冲或称为太赫兹波（太赫兹波）或称为T 射线（太赫兹射线）是从上个世纪80年代中后期，才被正式命名的，在此以前科学家们将统称为远红外射线。太赫兹波是指频率在0.1太赫兹到10太赫兹范围的电磁波，波长大概在0.03到3mm 范围，这一波段的电磁辐射具有很强的透视能力，可以作为一种特殊的“探针”用来对物质内部进行深入研究。
实际上，早在一百年前，就有科学工作者涉及过这一波段。在1896年和1897年，Rubens 和Nichols 就涉及到这一波段，红外光谱到达9um （0.009mm ）和20um （0.02mm ），之后又有到达50um 的记载。之后的近百年时间，远红外技术取得了许多成果，并且已经产业化。但是涉及太赫兹波段的研究结果和数据非常少，主要是受到有效太赫兹产生源和灵敏探测器的限制，因此这一波段也被称为太赫兹间隙。随着80年代一系列新技术、新材料的发展，特别是超快技术的发展，使得获得宽带稳定的脉冲太赫兹源成为一种准常规技术，太赫兹技术得以迅速发展，并在实际范围内掀起一股太赫兹研究热潮。
太赫兹具有瞬态性、宽带性、相干性、低能性等独特性能，在宽带通信、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学成像、无损检测、安全检查等领域产生了深远的影响。由于太赫兹的频率很高，所以其空间分辨率也很高；又由于它的脉冲很短，所以具有很高的时间分辨率。太赫兹成像技术和太赫兹波谱技术由此构成了太赫兹应用的两个主要关键技术。同时，由于太赫兹能量很小，不会对物质产生破坏作用，所以与X 射线相比更具有优势。另外，由于生物大分子的振动和转动频率的共振频率均在太
赫兹波段，因此太赫兹在粮食选种等农业和食品加工行业有着良好的应用前景。太赫兹的应用仍在不断的开发研究当中，其广阔的科学前景为世界所公认。
太赫兹波的具体特点有：
（1）高透射性：太赫兹对许多介电材料和非极性物质具有良好的穿透性, 可对不透明物体进行透视成像, 是X 射线成像和超声波成像技术的有效互补, 可用于安检或质检过程中的无损检测。
（2）低能量性：太赫兹光子能量为4.1meV(毫电子伏特), 只是X 射线光子能量的108分之一。太赫兹辐射不会导致光致电离而破坏被检物质, 非常适用于针对人体或其他生物样品的活体检查。进而能方便地提取样品的折射率和吸收系数等信息。
（3）吸水性：水对太赫兹辐射有极强的吸收性, 因为肿瘤组织中水分含量与正常组织明显不同，所以可通过分析组织中的水分含量来确定肿瘤的位置。
（4）瞬态性：太赫兹脉冲的典型脉宽在皮秒数量级，可以方便地对各种材料包括液体、气体、半导体、高温超导体、铁磁体等进行时间分辨光谱的研究，而且通过取样测量技术，能够有效地抑制背景辐射噪声的干扰。
（5）相干性：太赫兹的相干性源于其相干产生机制。太赫兹相干测量技术能够直接测量电场的振幅和相位，从而方便地提取样品的折射率、吸收系数、消光系数、介电常数等光学参数。
（6）指纹光谱：太赫兹波段包含了丰富的物理和化学信息。大多数极性分子和生物大分子的振动和转能级跃迁都处在太赫兹波段, 所以根据这些指纹谱, 太赫兹光谱成像技术能够分辨物体的形貌, 分析物体的物理化学性质, 为缉毒、反恐、排爆等提供相关的理论依据和探测技术。
太赫兹波的产生分为连续波的太赫兹产生和太赫兹脉冲的产生。产生连续太赫兹波的方法主要有4种：
(1) 通过FTIR (Fourier Transform Infrared Spectrometer) 使用热辐射源产生，如汞灯和SiC 棒；
(2) 是通过非线性光混频产生；
(3) 是通过电子振荡辐射产生，如反波管、耿式振荡器及肖特基二极管产生；
(4) 是通过气体激光器、半导体激光器、自由电子激光器等太赫兹激光器直接产生。目前产生太赫兹脉冲常用的方法有光导天线法、光整流法、太赫兹参量振荡器法、空气等离子体法等，其中空气等离子体能产生相对较高强度的太赫兹波而备受关注。此外，还可以用半导体表面产生太赫兹波。
Cook 和Hochstrasser 等人最早发现将频率为60的飞秒脉冲和频率为209的倍频光聚焦在空气中，将空气电离可产生太赫兹。该方法与之前的在晶体中进行光整流产生太赫兹波相比，不存在损伤阈值的问题，即对激光的强度没有限制。空气中产生太赫兹波有3种结构，如图所示。图2-2(a ) 是将波长为800 RE或400nm ，脉宽为100fs 的激光脉冲聚焦到空气中产生等离子体，从而辐射太赫兹波；而图2-2(b ) 较之于图2-2(a ) 则是在聚焦透镜后添加了一块BBO 晶体用于倍频；图2-2(c ) 是利用分色镜将波长为800nm 和400nm (基频波与二次谐波)
的两束光混合在一起，通过干涉相长或干涉相消对太赫兹辐射进行相干控制。
图2-2 空气产生太赫兹结构图
光学参量振荡是产生太赫兹辐射的另一机制，是基于光学参量效应的一种技术。太赫兹参量源通常有太赫兹参量发生器和太赫兹参量振荡器两种，二者之问的区别在于TPO 有谐振腔，而TPG 没有这样的选频结构。太赫兹参量源具有很高的非线性转换效率，其结构简单、易于小型化、工
作可靠、便于操作、相干性好，并且能够实现单频、宽带、可调谐、可在室温下稳定运转的全固态太赫兹辐射源。
图2-3 Koji Suizu的实验原理图
2008年，Koji Suizu[12]等人利用KTP-OPO (双波长输出KTP 光学参量振荡器) 产生的两束波长相差不大的平行泵浦光在铌酸锂晶体中差频产生出太赫兹波，在太赫兹波的输出上利用了切伦科夫辐射的原理，如图2-3所示。
众所周知，当晶体中极化波的速度大于辐射出的射线波的速度时就可以说其满足了切伦科夫的相位匹配条件。在铌酸锂晶体中，由两束泵浦光差频产生的太赫兹波的波速(发出的瞬间具有泵浦光的速度) 大于由太赫兹引起的介质极化产生的次波辐射的波速(等于太赫兹的速度) ，满足了切伦科夫辐射的相位匹配条件 ，从而以一定角度辐射出太赫兹波。同时，因为聚乙烯膜很薄，可以和太赫兹波的波长相比，所以可在聚乙烯膜上使用一组硅棱镜阵列来耦合太赫兹波的输出，然后用硅测辐射热计来探测产生的连续宽频范围的太赫兹波。
第3章 仿真与分析
3.1 结构设计与仿真
3.1.1 结构设计
EIT 人工电磁媒质的产生原理是两个谐振频率相等，Q 值差别足够大，同时振幅适当的模式之间的相消相干。这种相消相干主要体现在亚辐射模式对超辐射模式的抑制作用，使得超辐射模式无法很强的振荡起来，光谱响应中表现为产生了两个新的共振模式（两个谷），由此产生了两个谷之间很窄很锐利的透射峰。根据EIT 人工电磁媒质的产生原理，在太赫兹波段设计的微结构是：异向介质的单元包括SRRs 对称地放在左侧和右侧的切丝。
3.1.2 材料选择及数值模拟
200 nm 厚铝异向介质样品是通过常规的光学平版5um 厚的n 型硅衬底上捏造的。高电阻率硅衬底是在太赫兹有低吸收频率，n 类基质中的浓度是4.4×10cm³和电阻率值是12Ohm/cm，如图3-1和图3-2
所示。
图3-1 衬底结构模型及其参数示意图
图
3-2 铝异向介质薄膜层的结构及其参数示意
图3-3 EIT超常电磁媒质的单元结构图
振幅透射谱样品的测定入射电场E 沿y 轴面，向8-F 共焦赫兹时域光谱技术(太赫兹-TDS ）系统。如图3-3所示，几何参数为：Px=80um，Py=140um，L=110um，l=29um，s=7um，g=5um，w=5um，δy= -28um ，h=5um，条形（CW ）结构相对U 形分立环形谐振子（SRR ）结构沿入射太赫兹波电场方向的底边较长，与入射光耦合较强，其本征振荡模式的共振线宽较大作为超辐射模，SRR 的本征振荡模式则作为亚辐射模; 同时设计中保证两个模式具有足够接近的谐振频率、高Q 值差以及适当的振幅。
在利用电磁场仿真软件CST Microwave Studio 对微结构的数值计算中，采用了周期性边界条件，沿x 方向磁场，沿y 轴方向且入射电场E ，进行仿真。
3.1.3 仿真和比较
本文中对三种模型进行仿真，且对模型的端口进行如图3-4两端相对的设计，对SZmin (1) ，Zmax （1）（传输特性曲线进行分析）
，从而对比不
同模型的仿真结果。
图3-4 模型的仿真端口设计
由于我们设计的异向介质铝在n 型硅衬底上捏造，其中铝薄膜的厚度仅为0.2μm，而n 型硅衬底的厚度为5um ，因此我们设置单位时候，我们设计长度单位为μm，频率单位为THz ，仿真的时间单位是s ，这样的设置能节省仿真时间，而且能适用于我们设计的模板的仿真，使模型设置在最佳的仿真环境下进行，保证实验的准确，确保结构准确，如图3- 6所示。
图3-5 单位设计
上文我们知道我们模型的谐振频率比较低，所以我们设计的比较频率范围0-1.5THZ ，如图
3-6所示。
图3-6 频率设计
在设计中，我们选择将一个单元上通过设计的方式，使元件能看成多个单元中的一个，从而进行仿真，会使结果更加准确，即看成周期性单元进行仿真，如图3-7所示。
图3-7 边界条件设置
图3-8 背景设计
背景环境我们设置都为Normal ，由于我们设计SRR 传播方向为x 轴方向，因此我们设计的电磁场要比SRR 的b (衬底边长) 大一点，如图3-8。
图3-9 仿真设计
3.2 模型的选择及相关的频率特性的分析
我们设计的结构中有条形谐振器和开口环，现在要通过实验比较出最佳的模型，通过下面的，只有条形谐振和只有双开口环以及两种结构都有的模型的频率特性曲线的观察，可以得出最适用观测电磁诱导透明的模型。
在利用电磁场仿真软件CST Microwave Studio 对微结构的数值计算中，设计仿真的条件的是，采用了周期性边界条件，且添加了沿着x 轴方向的磁场，电场沿着y 轴方向的电场。
图3-10 只有一对开口环时的频率曲线
图3-10显示出了衬底底线阵列在0.67兆赫（实线）显示出一个典型的局域型表面等离子体共振（LSP ）。在这种情况下，在只有开口环的情况下不能直接激发对于激发场的相对结构对称性，即电磁诱导透明。
另一方面，图3-10显示出，尖锐的条形谐振也不能激发对于激发场的
相对结构对称性。
图3-10 只有条形谐振器时的频率曲线
通过上面的分析，我们再设计这两种类型的谐振器相结合的模型，可以看出当这两种类型的谐振器通过布置在靠近内的单元电场彼此耦合在一起时，观察到类似的光谱响应的一个典型的电磁诱导透明与y 偏振光电场激励，如图3-11所示。在这个设计中，条形谐振器可以直接激励入射电
场，作为明亮的谐振器，能被激发，而对称结构的开口环作为黑暗模式。这是明亮和黑暗的谐振器之间的破坏性干扰，使人们产生一个强大的电磁诱导透明，导致在
0.67THz 一个尖锐的透明度窗口。
图3-11 双重谐振器下的频率曲线
3.3
相对位移改变的情况下的频率分析
图3-12 δy=-40.5um时的频率图像
我们已经选好两种类型谐振的模型了，然后我们考虑沿导线保持整体结构的对称性，且沿轴线保持开口环沿x 轴的横向距离保持恒定，改变开口环的垂直位移可以观察到振幅调制的透明度峰值。如图3-12，3-13，3-14，3-15，3-16所示的是，条形谐振和开口环谐振器的中心距离分别是δy= -40.5um δy= -28um ，δy=0um ，δy=28um ，δy=38um ，也可以说，δy表示的是条形谐振器到开口环的位移。
图3-13 δ
y=-28um时的频率图像
图3-14 δy=0um时的频率图像
图3-15 δ
y=28um时的频率图像
图3-16 δy=38um时的频率图像
在我们的仿真中，可以看到开口环垂直位移的改变对电磁诱导透明的影响，如图中图片的描绘。图3-12及图3-13中，当开口环谐振器δy=-40.5um ，向上移动到δy=-28um ，透明窗口逐渐收缩频率没有显着移位。最后，与进一步位移δy=38um ，电磁诱导透明的窗口功能完全消失，留下单一的宽共振倾角接近0.033938的最低传输。为了更好地理解线SRR 对系统底层的近场耦合机理，我们进一步研究了更多的情况下的频率特点，即δy=-28um 和δy=0um ，δy=28um 时，当δy=-28um ，及δy=0um 时，两个波谷之间的波峰的峰值缓慢下降，当δy=28um 时，电磁诱导透明的窗口的峰值显著下降，接近于没有电磁诱导透明的现象。从上面的实验可以看出，电磁诱导透明现象随着位移的增加而逐渐减弱。
3.4 仿真结果分析及验证
得到相应的结构后对结构形成的原因进行相关分析及验证，图模拟分布x 分量的电场在条形谐振器的周围，在δy=-52um 时。从图3-17可以看出，因为条形谐振器的下边缘的前场是最强的，所以对于开口环的缝隙附近的电线，其中x 方向上具有电场上最强的电场集中。从对比观察图3-18可以看出，δy=-52um 模型的场的分布与δy=12um 模型的场的分布差别很大，可以得出δy=-52um 模型中通过明亮模式和暗模式的激励机制相比，δy=12um 的激励机制不同，其中图3-18表示z 分量的磁场在条形谐振器的周围。δy=12um 时的电场分布图表明，z
分量的磁场穿透谐振环，激发暗条形谐振器。
图3-17 δy= -52um的在条形谐振器方向的电场及其频率曲线
因此，我们认为，主要激发的强电场耦合从导线边缘的开口环对条形谐振子的暗模式。
另一方面，从z 分量的模拟磁场图可以看出，对δy=12um 的情况下，暗模式的激励是通过导线的磁场的。由于开口环对从衬底开始沿电线被激励的，通过电场和通过磁场的导线电感的电容性开关联接结构，从而导致可以观察到的幅度调制的透明度峰值，值得一提的是，这两个激励机制的开口环对的幅度和相位沿导线向上移动。为了阐明这种相互作用的电和磁的激发途径，进一步展示的电和磁激励的条形谐振子共振的表面电流分布示于图中。图3-19和图3-20中δy=-28um 和δy=28um ，由于其相反的行为。在样品的表面电流δy= -28um 由沿着z 方向的磁场和沿着x 方向的电场的相位振荡。这两者之间的表面电流的相互干涉形成一个强有力的激励，导致条形谐振子和开口环之间的激励明显增强，从而增强暗模式和亮模式之间的耦合。
图3-18 δy=12um的在条形谐振器方向的磁场及其频率曲线
然而，当谐振环移动到δy=28um ，磁场刺激的表面电流保持不变，但电场激发出电流发生变化，其方向根据沿X 方向的电场和沿z 方向的磁场分布，如示于图3-20中。因此，这两个表面电流破坏性互动，互相抵消，抑制条形谐振器的激发，最终导致电磁诱导透明的峰值消失。在0.67 THz 的模拟的电场能量分布示于图，属于符合我们的解释。
电磁诱导透明的共振效应最为明显δy= -28um 最大电场耦合能量从导线的开口环结构，在图中可以看出，一旦导线直接入射太赫兹场就会沿电线振动激发，如图3-19。可以看出与位置δy= -28相比，位置δy=28um 的双开口环结构是处于休眠状态，因为所有的电能被限制周围导线和场等分布在条形谐振的两端，所以未能诱发循环电流在开口环（图3-20）的两端。
观察图3-20，我们可以得出结论：在δy=28um 的超常媒介的结构确实只支持LSP （等离子体共振）的共振，并且没有激发谐振环，因而没有电磁诱导透明的现象。
通过这种调节机制我们可以看出，电磁诱导透明峰值调制，取决于开口环和条形谐振子相位差，也取决于导线到黑暗模式反过来的开口环和这种耦合方式的明亮模式沿z 方向的磁场和激发在电线之间沿x 方向的场。
图3-19 δy= -28um
情况下双重谐振类型模型和双开口环被激励从而产生的周围的磁场
图3-20 δy=28um情况下沿z 轴方向磁场及条形谐振器周围磁场
从图3-20可以看出开口环周围没有磁场，即短线没有激发开口环，此时没有电磁诱导透明的现象产生。
结论
我们首先介绍了电磁诱导透明的概念、原理和发现进展；分析了基于超常媒介的短线和开口环的应用机理和设计要求。我们研究了开口环和短线相互作用的模型，设计了三种模型，通过CST 软件对三种模型的仿真得出开口环和短线相作用的模型，并在之后对这一模型进行了仿真及相关应用。在太赫兹的干扰而产生不同的超常媒介黑暗模式的激发途径，从而研究不同途径下的对电磁诱导透明的影响的相关途径及方法。沿导线定向的外部入射场激发在条形谐振器和开口环的LSP 共振，改变开口环与短线中心距离，而不改变双开口环的距离的模型，进而观察相应的频率曲线，从而讨论位移的改变对电磁诱导透明现象的影响。我们对改变开口环的位移而相应的电磁诱导透明现象发生相应的改变，观察沿X 方向的电场以及沿Z 方向的磁场，提出相应的电磁诱导透明现象的改变原理，最后再对该原理进行验证。
一、根据洛伦兹振荡模型，有AP 2相之间的有差异的沿着z 方向的磁场和沿着x 方向的电场。根据麦克斯韦方程组的预测，相位与磁场的磁感应面电流，而电性引起的表面的电场相对于p=2时的电流滞后。因此，表面的感应电流由沿z 方向的磁场和沿x 方向的电场将有p 或0，这导致的破坏或表面之间的相干涉电流的相位差。
二、在本论文中，我们充分讨论了，开口环及短线两种谐振子的搭配运用，怎样产生电磁诱导透明现象，又根据其频率特征选择相应的模型，并使开口环与短线的中心位移改变，相关的频率曲线进行观察，得到其电磁诱导透明现象的改变，在最后根据其磁场对该现象产生的原因作出相应的结论，对结论进行相关的验证。
三、我们的实验对观察电磁诱导透明时的模型选择作出了相关示范，并对模型的改变对电磁诱导透明现象的影响作出阐述，并对原因进行分析，为以后的开口环和短线双模型引起的电磁诱导透明给出了相应的借鉴。
致谢
本论文是在贺训军老师的悉心教导和亲切关怀下完成的。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，贺老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。贺老师的博学，让我知道学海无涯仍需努力；贺老师的勤奋，让我明白天道酬勤要坚持始终；贺老师的朴实，让我明白善良的价值；贺老师的大度，让我能以宽容之心面对生活。贺老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，生活中，他教我们如何真诚做人、踏实做事；每一次的谈话都如同春风化雨，指引着我们沿着正确方向前进。在此谨向贺老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。
我还要感谢在一起愉快的度过毕业论文小组的同学们，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长，同学，朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！特别感谢颜世桃和吉训侦同学做的大量的工作。
最后再次对关心和帮助我的老师，同学表示感谢！
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附录
基于相位耦合的操纵平面超常媒介电磁感应透明
我们的实验展示了一个可控制的电磁感应透明（EIT ）的像在由两个相同的开口环谐振器（谐振环）与侧侧对称的平面超常媒介在微波频率下的光谱响应。在我们的方案中，采用相位耦合两者之间的谐振环（作为明亮模式），这是强烈兴奋入射波，发现类似的电磁诱导透明的光谱响应，可以通过简单地调整入射角控制。因此，我们的方案可用于电磁波切换。可以得到高慢光应用指数和高品质的因子，通过简单的控制入射角。 VC2012年美国物理研究所。
引言
完善的过滤电磁波频率通常选择表面周期性结构。因此，他们作为一类新型超常媒介，人造纳米/微结构的电磁材料，表现出很多有趣的现象，入射光在亚波长范围，如负折射指数和非凡的光学传输操纵基础。此外，他们是一个传统的模拟电磁感应透明（EIT ），张某等人。首次提出在平面超常媒介组成的光明和黑暗模式，基于近场耦合电浆电磁诱导透明。刘等人用实验验证的德鲁德阻尼限制使用堆叠的光学超常媒介组成的光明和黑暗模式，分离介质间隔电浆电磁诱导透明。这些近场耦合计划链之间的耦合强度的光明和黑暗模式，需要精确的光刻控制。省却了这些要求的近场耦合，Kekatpure 等人证明了模拟的等离子激励元的电磁诱导透明在一个系统中的纳米级的表面等离子体激励元谐振器天线耦合的单模硅波导的光频率，根据天线之间的相位耦合。使用开环谐振器（谐振环），作为人工纳米/微结构材料，詹等人的元素。和Singh 等人。实验表明，平面超常媒介在太赫兹频率范围内表现出一个模拟的电磁诱导透明。
最近，使用在微波频率范围内的谐振环，提出了类似的电磁诱导透明的光谱响应，可能出现在被困的模式的基础上的平面超常媒介。随后，Papasimakis 等。研究类似的EIT 的独立被困的模式的基础上的平面的超常媒介的偏振和入射角的光谱响应。基础上耦合明亮和黑暗模式，TASSIN 等。张某等人。提出并实验验证计划在平面超常媒介组成的切割线和SRR 的企业所得税样的光谱响应。在他们的方案中，他们使用的非对称结构，由两个不同的元素。使用两个相同的元素，作为两个明亮的模式，它也有可能实现的电磁诱导透明般的效果。
在本文中，两个相同的谐振环之间的相位耦合的基础上，我们提
出和实验验证新的计划可控经济转型光谱响应像在平面的超常媒介在微波频率上，由两个相同的谐振环带侧端对称（图1）。这是众所周知的结构的不对称性是至关重要的实现电磁诱导透明行为。我们的方案中的两个相同的元件其结果是，类似的电磁诱导透明的光谱响应可以
通过简单地调节的平面波的入射角度进行切换，由于非正常的发生率诱导不对称。
一、实验和模拟
图1给出了原理图的调查结构。超常媒介结构的制作中，使用传统的印刷电路板（PCB ）35流明厚的印刷电路板基板上的铜图形的过程。在PCB 基板的厚度和介电常数是0.8毫米和4，分别用介电损耗角正切为0.035。铜的导电率是15.96107钐。样品的整体尺寸约15×1030CM 2。在图的标题中所提供的详细的几何参数。我们的方案中的单元电池，在PCB 基板上的相同的谐振环的侧端安排在。入射平面的是yz 平面上，并平行于x 方向的电场E 。两个相同的谐振环作为明亮的模式强耦合入射平面波。当光的入射角是0（不为0），这两个开口环结构具有相同的（不同的）阶段。的透射光谱的测量使用的是惠普E8362B 网络分析仪连接到微波标准增益喇叭天线在自由空间中。使用有限的集成包（CST 微波工作室）的数值进行计算。
二、结果与讨论
图2（a ）给出了各种的入射角，用介电损耗角正切为0.035 PCB 基板的微波频率范围的测量和模拟的透射光谱。黑色（在线）和红色（在线）实线代表模拟透射谱在入射角0º和40º，分别为而黑色（在线）和红色（在线）的虚线是对应的测量。从图图2（a ），达到相当不错的实验和模拟结果之间的协议。如果光的入射角为0º时，两个谐振环是由具有相同的相位的平面波入射激发。在这种情况下，会发生电磁诱导透明没有模拟的对称结构中，只有一个单一的谐振峰出现在15.4 GHz 的频率。另一方面，如果光的入射角是40º，模拟的电磁诱导透明明显地表现出来的基于相位耦合之间的两个谐振环。显然，体现的电磁诱导透明的模拟取决于在我们的受限制的并排对称结构的两个谐振环之间的相位的差异。为了理解介电损耗的作用，我们模拟了具有小的介电损耗角正切在PCB 基板的透射光谱。图2（b ）示出了不同的入射角（0º，15º，和30º）与模拟的透射光谱的介电损耗角正切为0.0025，在PCB 基板，这是近10倍小于实验值。显而易见的是，可以提高使用的基板具有较小的介电损耗角正切的电磁诱导透明等的响应。基板的光谱响应就变得更明显，作为入射角的增加（即增加的相位差）。此外，高度分散的透射光谱和在PCB 基板具有小的介电损耗角正切为获得高透射峰。高度分散的透射光谱的结果，在一个高的组索引和品质因数。为了进一步支持上述的断言，透射峰的频率
处的磁场的
z 分量的分布分别示于下图
图3（a ）和图3（b ）为0º和30º分别与30º和10º的相位，为的
入射角。图3（c ）和图3（d ）示出的电场的x 分量的分布，分别与120º和100º的相位为0º和30º的入射角。的磁场为p/ 2的相位相对于电场。从图3（a ）和图3（c ）中，当入射角为0º时，两个谐振环被激发由入射平面波的电场分量具有相同的相位。此外，两个激发谐振环的磁场是在z 方向上彼此相对的，因为在面对杆的两个激发谐振环的感应电流在相同的方向上振荡。由于避免被取消，彼此都是非常强的，相同的电流的方向所产生的散射场，例如，只有一个单一的谐振峰出现在15.4 GHz 的频率。因此，模拟的电磁诱导透明不能出现在垂直入射在侧侧对称结。
从图3（b ）和图3（d ）中，通过与磁场的z 分量的耦合，当被激发的磁谐振模式的两个谐振环的角度的入射IS30。由于光的入射角不为零时，两个激发谐振环的磁谐振模式具有不同的相位，如示于图 3（b ）和图3（d ）。此外，两个激发谐振环的磁场沿z 轴在同一方向，因为在面对杆的两个激发谐振环的感应电流在相反方向的电流所产生
的散射场是非常弱的，因为在相反的方向摆动它们互相抵消。具有不同相位的两个谐振环之间的干扰显着地减少侧侧的对称结构，它表现为在自由空间中的辐射损失。因此，一个尖锐的透射峰出现在谐振频率。如果入射角的进一步增大，相位差也增大，磁谐振模式的两个谐振环变得更强，因为入射平面波的增加磁场的z 分量。在我们的方案中，如果相位差的增加，可以得到高的透射峰。对称性缺陷实现的电磁诱导透明般的效果，是非常重要的。在最近的研究中，很多人都提出电磁诱导透明般的光谱响应使用不对称的结构，其中包括两个不同的元素。在我们的方法中，我们使用一个对称结构，而入射角被调整
到破坏的结构的对称性。因此，一个可控类电磁诱导透明的光谱响应，可实现在一个平面的对称结构。
图4（a ）给出的最大透射率和品质因数的依赖性，入射的角度为
5〜40，增量为5为s=0.8毫米，用于PCB 的介电损耗角正切为0.0025基片上。的最大传输增加从0.05到0.8，而从275减少到33和318到40的品质因数，对品质因数的评价使用Q = f0/Df，其中f0是最大传输频率，和Df 是最大值一半处的全宽度。当入射角为15º，最大传输的Q 因子是0.45和115，分别和组指数为190，如图所示。图4（b ）。组索引使用的公式估计NG ¼nþx （DN/ DX），其中n 是有效折射率。
三、结论
使用两个相同的谐振环与侧对称的平面超常媒介的组成，我们提出了一个新的计划，一个可控的类电磁诱导透明在微波频率的光谱响应基于两个谐振环之间的相位耦合。在我们的研究中，因为两个明亮的模式之间的耦合引起高度分散的透明度，有较高的Q-因子和一个更大的频率指数。因为可以通过简单地调节的平面波的入射角度进行切换的电磁诱导透明等的光谱响应，我们的方案可用于电磁波切换。另外，在PCB 基板的低介电损耗正切值是必要的，在我们的计划获得的高分散的透射峰。
四、致谢
这项研究是支持优研究中心计划通过韩国国家研究基金会（NRF ）由教育部资助，科学与技术（MEST ）（2010-0029760）和NRF 授予由韩国政府资助（ MEST ）（No.2011-0017605）。