手征特異材料的負(fù)折射及古斯-漢欣效應(yīng)研究.pdf

1、“特異材料(metamaterial)”是通過在材料關(guān)鍵物理尺度上的結(jié)構(gòu)有序設(shè)計(jì)，突破某些表觀自然規(guī)律的限制，從而具有天然材料所不具備的特異電磁性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料。“特異材料”思想的提出無疑會(huì)對(duì)新材料的設(shè)計(jì)與開發(fā)帶來新的機(jī)會(huì)。目前人們關(guān)注的“特異材料”包括：“左手材料”、電磁隱身材料、手征特異材料等。“特異材料”這一名詞的出現(xiàn)與“左手材料”系統(tǒng)的提出息息相關(guān)?！白笫植牧稀敝鸽姶挪ㄔ谶@種材料中傳播時(shí)，電場(chǎng)(E)，磁場(chǎng)(H)和波矢

2、(k)形成左手螺旋定則，對(duì)電磁波展現(xiàn)出負(fù)折射特性，因此“左手材料”又被稱為負(fù)折射材料。由于左手材料有著廣泛的特殊光學(xué)用途，如：波導(dǎo)，超透鏡，天線，電磁波隱身等，對(duì)如何實(shí)現(xiàn)左手材料的理論和實(shí)驗(yàn)研究也越來越豐富。近幾年人們嘗試用手征材料實(shí)現(xiàn)負(fù)折射，由于手征材料本身具有十分獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和光學(xué)性質(zhì)，使得手征材料實(shí)現(xiàn)負(fù)折射不需要磁共振，可以減少損耗，為實(shí)現(xiàn)低損耗光頻段負(fù)折射提供了一種可行的方法。手征特異材料也因此受到了科學(xué)家們的廣泛關(guān)注，其負(fù)折

3、射的實(shí)現(xiàn)以及光學(xué)性質(zhì)成為研究的熱點(diǎn)。 本論文提出利用含有手征顆粒材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)體系來實(shí)現(xiàn)負(fù)折射特性，并進(jìn)一步研究電磁波在手征特異材料中的傳輸特性以及在手征特異材料界面和板產(chǎn)生的古斯一漢欣效應(yīng)。文章主要內(nèi)容為： 一、手征復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)負(fù)折射 我們理論提出利用具有手征性的納米顆粒以一定的體積分?jǐn)?shù)無規(guī)嵌入到均勻非手征基質(zhì)材料而形成手征復(fù)合體系來實(shí)現(xiàn)負(fù)折射，對(duì)于這類復(fù)合體系，我們推廣Maxwell-Garnett近似理論計(jì)

4、算出體系的有效介電常數(shù)、有效磁導(dǎo)率、有效手征參數(shù)以及折射率。數(shù)值結(jié)果表明，體系的負(fù)折射區(qū)域存在兩個(gè)頻段，分別對(duì)應(yīng)著手征材料的兩個(gè)本征極化波：在高頻段，右旋圓極化本征波呈現(xiàn)負(fù)折射特性；而在低頻段，左旋圓極化本征波呈現(xiàn)負(fù)折射特性。進(jìn)一步研究表明，增大體積分?jǐn)?shù)和減小損耗因子有助于增寬負(fù)折射的頻帶范圍，而且減小電介質(zhì)損耗可以增大負(fù)折射率。此外，分析表明負(fù)折射率的出現(xiàn)是由于手征復(fù)合結(jié)構(gòu)體系中，可存在與有效介電常數(shù)和有效磁導(dǎo)率相比相對(duì)較大的手征參數(shù)

5、。 二、電磁波在手征特異材料界面反射產(chǎn)生的古斯-漢欣效應(yīng) 我們研究電磁波在手征特異材料界面?zhèn)鬏斕匦砸约胺瓷洚a(chǎn)生的古斯-漢欣效應(yīng)。當(dāng)電磁波從常規(guī)介質(zhì)入射到手征介質(zhì)表面，反射波的電磁場(chǎng)由垂直場(chǎng)和平行場(chǎng)疊加構(gòu)成，透射波分裂為兩束不同相速度的圓形極化本征波傳輸?shù)绞终鹘橘|(zhì)中。因此，對(duì)于手征介質(zhì)來說，存在兩個(gè)不同的臨界角，分別對(duì)應(yīng)于左旋極化波和右旋極化波。利用Artmann理論，我們主要討論了手征特異材料界面的古斯-漢欣效應(yīng)，并將其

6、與正常手征材料的結(jié)果作比較，分析結(jié)果表明：電磁波以一定角度入射到手征特異材料界面時(shí)，當(dāng)入射角大于左旋極化波的(相對(duì)較小的)全反射臨界角時(shí)，反射波的平行組分有負(fù)的古斯-漢欣位移而垂直組分的古斯一漢欣位移先有一個(gè)正的峰值，然后變?yōu)樨?fù)位移；而當(dāng)入射角大于右旋極化波的(相對(duì)較大的)全反射臨界角時(shí)，不管平行組分還是垂直組分卻只能得到正的古斯-漢欣位移。這些與正常手征材料所得的結(jié)果恰好相反。此外，我們還利用高斯光束來模擬電磁波入射到手征特異材料界面

7、，以進(jìn)一步闡述其古斯-漢欣效應(yīng)。 三、電磁波在手征特異材料板反射產(chǎn)生的古斯-漢欣效應(yīng) 在對(duì)手征特異材料界面的古斯-漢欣效應(yīng)研究的基礎(chǔ)上，我們繼續(xù)利用Artmann理論，結(jié)合電磁波在手征介質(zhì)板中反射和透射特性的討論，重點(diǎn)研究了電磁波在手征特異材料板上反射產(chǎn)生的古斯-漢欣效應(yīng)。數(shù)值結(jié)果表明：反射波垂直分量和平行分量的古斯-漢欣位移分別在各自贗布儒斯特角附近被大幅度地增強(qiáng)。除此之外，我們還討論了古斯-漢欣位移不僅依賴于手征特異