電磁特異介質(zhì)若干理論問題研究.pdf

1、電磁波現(xiàn)象是自然界中非常常見的現(xiàn)象.和電磁波相關(guān)的應(yīng)用遍布于我們的日常生活。早在1864年,麥克斯書提出了麥兜斯韋方程組,給出了電磁波所要服從的行為準則.當電磁波在介質(zhì)中傳播時,介質(zhì)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率對電磁波的行為起了至關(guān)重要的作用。但上帝為我們創(chuàng)造的材料是有限的,一百多年過去了,人們一直在自然界中所允許的有限的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的范圍內(nèi)對電磁波進行研究。當人們覺得我們似乎已經(jīng)非常了解電磁世界的時候,有一些“異教徒”并不滿足于上帝為我們創(chuàng)

2、造的材料種類.他們對一些自然界中不存在的物質(zhì)報有非分之想。V.G.Veselago等人在幾十年前提出了負折射材料的設(shè)想,并從理論上分析了電磁波在這種媒質(zhì)中會有負折射,反常的多普勒效應(yīng)和反常切倫科夫輻射等有趣的現(xiàn)象。有一句古語叫做“人類一思考上帝就發(fā)笑”.大家并沒有過多的關(guān)注V.G.Veselago的“幻想”,因為上帝并沒有給我們這種材料。我們要非常感謝英國物理學(xué)家J.B.Pendry,是他為V.G.Veselago的“幻想”帶來了希望,

3、后來經(jīng)過眾多科學(xué)家的共同努力,證明了負折射材料的“幻想”其實是種大智慧,包括負折射材料在內(nèi)的所謂特異材料Metamaterial研究蓬勃發(fā)展,回過頭來我們驚訝的發(fā)現(xiàn),甚至是10年前我們對電磁波的認識是如此狹隘.電磁波的現(xiàn)象是如此的豐富。在第一章中,我們就來介紹一下特異材料這段傳奇歷史以及目前的發(fā)展狀況。在第二章中,我們簡單介紹一下另一種特異材料——光子晶體的概念.以及它所具有的奇異性質(zhì)。有的時候1+1是大于2的,甚至其結(jié)果有很多種可能。

4、人們發(fā)現(xiàn),將負折射材料加入傳統(tǒng)材料設(shè)計的光子晶體,我們可以實現(xiàn)一些傳統(tǒng)光子晶體所不具備的奇異效應(yīng)。比如,如果我們要在兩維或者三維的尺度將光子完全局域,傳統(tǒng)的概念告訴我們需要設(shè)計兩維或三維完全光子帶隙結(jié)構(gòu),利用光子晶體的概念我們可以制備兩維或者三維的周期性結(jié)構(gòu),通過多重散射來實現(xiàn)這個有趣的現(xiàn)象.但是制備這樣的體系是比較困難的。我們研究了含有各向異性負折射材料的一維光子晶體結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)這樣的一維結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)兩維全極化完全光子帶隙。這種利用低維結(jié)

5、構(gòu)實現(xiàn)高維帶隙的想法初看起來是如此“不可思議”.人們很難想象在光子晶體的橫向方向上光子是如何被束縛的。我們的工作給出了一套體系參量的限定方程,它不僅可以幫助實驗工作者找到合適的參量來設(shè)計結(jié)構(gòu)實現(xiàn)兩維全帶隙效應(yīng),而且其背后的物理意義詮釋了一維結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高維全帶隙的機理,也解釋了體系是如何在橫向方向上來抑制光波的傳播,其中負折射材料在此扮演了至關(guān)重要的作用。針對特異材料研究領(lǐng)域大家都非常關(guān)心的問題——如何計算體系的有效媒質(zhì),前人們已經(jīng)提出了很

6、多有效媒質(zhì)理論,但傳統(tǒng)的方法仍存在一些問題:在計算有效媒質(zhì)時,最常用方法是S參量反解法,但它存在著解非唯一等問題;當頻率靠近特異材料的共振頻率時,如何確定體系的有效媒質(zhì),體系的有效媒質(zhì)具有多大意義,這都是值得探討的問題;體系有效介電參量本應(yīng)是其局域的性質(zhì),但有時會出現(xiàn)薄體系計算出的有效媒質(zhì)應(yīng)用到厚體系就不再適用的問題,針對這些問題人們做了很多工作,但有些問題還沒有得到很好或完全的解決。而對這些問題,我們提出了計算有效媒質(zhì)的準模理論,它不

7、權(quán)可以計算體系的有效介電參量,而且更為重要的是,它可以幫助我們衡量體系有效媒質(zhì)的品質(zhì)。如果您有興趣了解準模理論是如何做到的,請參照第三章的內(nèi)容。人們對梯度材料體系的研究已經(jīng)非常廣泛了,而特異材料的引入使得我們對電磁波的調(diào)控有了更大的自由度。在第四掌中,我們研究了山“空氣/特異材料/理想金屬”組成的三明治體系,我們將梯度性質(zhì)加入到特異材料層的介電參量中去,發(fā)現(xiàn)這類結(jié)構(gòu)可以對電磁波具有奇異的調(diào)控性質(zhì)。如果設(shè)計特異材料介電參量的梯度形式,使得