運(yùn)動(dòng)特異電磁介質(zhì)的物性研究.pdf

1、光是生命的能量之源，可以說(shuō)沒(méi)有光就沒(méi)有現(xiàn)在的自然界。光是如此重要，但是人類(lèi)對(duì)光的認(rèn)識(shí)卻一直各持己見(jiàn)。1864年，麥克斯韋建立起電磁場(chǎng)的系統(tǒng)理論，且指出：光也是電磁波的一種形式，隨后這一論斷被很多實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，至此，人們才對(duì)光有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。人們認(rèn)識(shí)光其實(shí)是為了更好地調(diào)控光，為人類(lèi)的生活提供更多的便捷，從麥克斯韋的系統(tǒng)理論(麥克斯韋方程)中可以看出.我們可以借助兩個(gè)電磁參量(介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ)有效地調(diào)節(jié)光使其沿著我們需要的方式而發(fā)展。

2、當(dāng)明白這些事情后，我們卻失望地發(fā)現(xiàn)自然界提供給我們的ε和μ實(shí)在太少了，比如有些材料滿足(ε<0，μ>0)，如光頻段的金屬；比如有些材料滿足(ε>0，μ>0)，如常規(guī)的介電材料；當(dāng)然也有些材料可以在微波段實(shí)現(xiàn)μ<0，如鐵磁材料，但這些材料不僅損耗很大，而且無(wú)法推到光頻?？梢?jiàn)，自然界給我們提供的材料是很有限的，根本無(wú)法滿足人類(lèi)的需要。1968年，前蘇聯(lián)物理學(xué)家V G.Veselago從理論上提出了對(duì)于一種材料同時(shí)具有負(fù)的介電常數(shù)ε和負(fù)的磁導(dǎo)

3、率μ，而且還預(yù)言了這種材料里所具有的很多奇異效應(yīng)。V.G.Vesclago的這一獨(dú)特想法幾十年來(lái)一直沒(méi)有引起人們的關(guān)注，直到上個(gè)世紀(jì)90年代，英國(guó)物理學(xué)家J.B.Pendly提出可以利用有限長(zhǎng)的金屬棒實(shí)現(xiàn)負(fù)的介電常數(shù)ε，利用金屬開(kāi)口圓環(huán)實(shí)現(xiàn)負(fù)的磁導(dǎo)率μ，結(jié)合這兩種結(jié)構(gòu)作為最小的材料單元，可以實(shí)現(xiàn)在微波段介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ同時(shí)為負(fù)的材料，隨后不久這一思想就被來(lái)自美國(guó)的科學(xué)家D.R.Smith等人用實(shí)驗(yàn)證實(shí)。至此。人們才逐漸意識(shí)到利用比波

4、長(zhǎng)小很多的結(jié)構(gòu)單元來(lái)調(diào)控光的潛力，而這一方向則漸漸地發(fā)展成為一個(gè)全新的研究領(lǐng)域，通常稱(chēng)為Metamaterial，中文意為特異材料，或超材料。顧名思義，這種材料不同于自然界的一些已有材料，他的出現(xiàn)使得人們對(duì)光的調(diào)控能力有了很大的提升，很多奇異的物理效應(yīng)也都在這種人工材料中實(shí)現(xiàn)，如反多普勒效應(yīng)和反切倫科夫效應(yīng)等等。本篇論文將在第一章中粗略地介紹人工電磁特異材料的研究進(jìn)展和當(dāng)前的一些研究熱點(diǎn)。
　　特異材料具有很多自然材料難以比擬的優(yōu)

5、點(diǎn)，比如它與常規(guī)材料組成的界面可以呈現(xiàn)負(fù)折射現(xiàn)象，它作為棱鏡可以成一個(gè)打破衍射極限的像等。但這方面的很多工作都是在靜止體系中進(jìn)行的，如果我們考慮把一塊特異介質(zhì)平板置于運(yùn)動(dòng)體系，那么會(huì)有什么新奇的現(xiàn)象呢?當(dāng)然，我們首先想到的就是多普勒效應(yīng)，在研究中我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)把源和接受器都置于負(fù)折射率介質(zhì)平板的表面，當(dāng)它們運(yùn)動(dòng)時(shí)，接受器接受到的信號(hào)非常之奇怪，除了一個(gè)峰可以和經(jīng)典的多普勒信號(hào)相對(duì)應(yīng)外，還有其它幾個(gè)峰完全出乎我們的意料，同時(shí)，我們也研究了這幾

6、個(gè)奇異的峰和源的工作頻率以及相互運(yùn)動(dòng)速度之間的關(guān)系，最后.我們發(fā)現(xiàn)這幾個(gè)奇異的峰是源與平板的表面波相互作用引起的。在論文的第二章，我們基于四維時(shí)空的洛倫茲變換和格林函數(shù)理論，發(fā)展了一套可以用來(lái)解決運(yùn)動(dòng)體系光學(xué)性質(zhì)的嚴(yán)格方法；接著在論文的第三章中我們就運(yùn)用此方法，詳細(xì)討論運(yùn)動(dòng)體系中負(fù)折射率介質(zhì)平板相關(guān)的光學(xué)現(xiàn)象，我們不僅可以處理上述的奇異多普勒效應(yīng)，還可以研究運(yùn)動(dòng)負(fù)折射介質(zhì)平板的超成像效果，研究中我們發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)平板較之靜止平板成像的效果發(fā)生

7、明顯的變化，通過(guò)對(duì)比兩種情況下板的表面波色散關(guān)系，我們發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)平板的表面波色散關(guān)系會(huì)發(fā)生明顯地扭曲，使得在像點(diǎn)收集到的瞬態(tài)波的成分發(fā)生很大的變化，直接導(dǎo)致像的質(zhì)量改變。
　　手征材料的本構(gòu)關(guān)系不同于一般材料的本構(gòu)關(guān)系，手征材料中電和磁的分量是有效地耦合在一起的，在其中傳播電磁波的電/磁分量不僅可以誘發(fā)體系的電/磁極化，同時(shí)也可以誘發(fā)體系的磁/電極化。由于在實(shí)驗(yàn)上要實(shí)現(xiàn)負(fù)折射。需要制造一個(gè)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)的材料，具有一定的難

8、度，特別在光頻段更加難以實(shí)現(xiàn)；但是利用手征材料我們就可以降低實(shí)現(xiàn)負(fù)折射的難度，因此引起了部分科學(xué)家的興趣。在論文的第四章，我們就研究金屬開(kāi)口圓環(huán)的手征特性，發(fā)現(xiàn)以此為共振單元形成材料的手征參量具有非對(duì)角項(xiàng)。之前關(guān)于手征材料的很多研究都只關(guān)心手征參量的對(duì)角項(xiàng)，那么這個(gè)非對(duì)角項(xiàng)對(duì)電磁波具有怎樣的調(diào)控作用呢?通過(guò)研究我們發(fā)現(xiàn)，線偏振電磁波在此體系的界面發(fā)生折射時(shí)會(huì)發(fā)生雙折射現(xiàn)象，特別之處在于，其中一束折射光仍為線偏振，另一束則為橢圓偏振.這和