左手材料的特殊光学性质研究
关键词：电磁场理论；左手材料；负折射率；菲涅耳公式；布儒斯特角
Research on Special Optical Properties of Left-handed Materials
Abstract: Based on the theory of electromagnetic field, this paper concluded that the the electric field , the magnetic field and wave vector follow the left -handed spiral relations, when the monochromatic plane wave travels in left-handed materials. This paper explained the inverse Doppler effect and negative refraction phenomenon. This paper deduced the Fresnel formula and discussed a special optical phenomenon , when the monochromatic plane waves are projected to the left-handed materials from vacuum 。So, two Brewster Angles can be gotten.
Key words: The electromagnetic field theory; Left hand materials; Negative refractive index; Fresnel formula; Brewster Angle
目 录
摘要 1
引言 1
1.左手材料的理论基础 2
2.平面波在左手材料中的传播 3
3.逆多普勒效应 5
4.负折射现象 5
5.电磁波在介质界面上的反射和折射 6
5.1电磁波在右手介质界面上的反射和折射 7
5.2电磁波在左手介质界面上的反射和折射 8
6.结束语 10
参考文献 11
致谢 12
引言
1967年，前苏联物理学家Veselago发表了一篇文章首次提出了一种假想材料即左手材料。其实自然界中尚未发现介电常数 和磁导率 都为负值的材料。此材料需要通过人工获得。因此，在此领域的研究进展一直处于停滞阶段。直到1996年，英国皇家学院的Pendry提出了通过巧妙的设计结构来实现负的介电常数的材料。接着在1999年他又提出了可以用开口谐振环阵列来构造磁导率为负的人工介质 。从此，该课题越来越热。具有突破性进展的是2000年美国加州大学Smith将两者结合起来，首次制备出了一文的左手材料。2001年，Shelby制备出了二文的左手材料，并从实验上验证了负折射率材料的负折射现象。被“Science”杂志评为2003年度十大科技突破之一 。2003年美国Parazzoli等人及Hauck等人分别进行了一系列实验，清晰地展示了负折射现象。2006年，我国东南大学毫米波实验室的崔铁军教授领导的研究小组提出了一种能使磁导率为负的双螺旋共振结构 。一系列的研究成果引起了众多学者的关注，使得左手材料的研究成为国际电磁学界的一个引人注目的前沿领域。
1. 左手材料的理论基础
物理学中，描述物质电磁性质最基本的两个物理量是介电常数 和磁导率 本文来自优尔\文/论~文?网，毕业论文 www.youerw.com。根据介电常数 和磁导率 的正负取值，理论上可以将材料分为如图1所示的四种类型 。大部分材料位于第Ⅰ象限，即满足 这一条件。我们称此类材料为传统材料（右手材料）。有电磁波的麦克斯韦方程知道，电磁波在其中传播时，其电场强度、磁场强度和波矢量满足右手定则。第Ⅱ象限的材料 属于粒子体和金属。电磁波在其中传播时耗散很大，因此，一般认为电磁波不在此种介质中传播。第Ⅲ象限的材料 ，是一种新颖奇异的材料，它通常也称为双负材料。由于介电常数 和磁导率 的乘积仍为正值，故电磁波可以在其中传播。电磁波在该介质中传播时，其电场强度、磁场强度和波矢量三者满足左手定则，被称为左手材料。在该介质中，电磁波在其中的能量传播方向即能流密度 的方向与它的波矢量方向相反。在经典麦克斯韦方程中，介质的折射率 与介电常数 和磁导率 的关系是 。那么介质的折射率就等于 ，以前的研究者理所当然的选择了其正根解（正折射率），习惯性的舍弃了负根解（负折射率）。直到Veselago提出了一种假设，他假设存在一种介质，其介电常数 和磁导率 同时为负值，即所谓的左手介质 。从此，关于左手介质的研究越来越深入。位于第Ⅳ象限的材料 此即负磁导率材料。波在此种介质中传播时，耗散很大，因此一般认为电磁波不在此种介质中传播。
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