双负材料半空间中的反向切伦科夫辐射

论文摘要

双负材料是指介电常数和磁导率的实部同时为负值的人工合成电磁材料。电磁波在这种材料中传播时将显现与普通材料不同的各种逆向或反向效应,如负折射效应、逆多普勒效应、逆切伦科夫辐射等等。双负材料的发现被杂志《Science》评为是2003年度十大科学突破之一,是当前物理与电磁学研究领域中的前沿与热点问题之一。切伦科夫辐射是当一个高速运动的带电粒子的速度超过了周围介质中光的相速时,带电粒子辐射出一种特殊的电磁能量的现象。在双负材料中的切伦科夫辐射将表现出与普通材料中完全不同的情形,即反向切伦科夫辐射。本文在已有的切伦科夫辐射研究成果以及经典电磁场理论的基础上,从理论上系统地分析了各向同性和各向异性的双负材料中的切伦科夫辐射,并仔细讨论了材料参数对辐射功率的影响。本文的主要内容组织如下:(1)在第二章,基于对带电粒子切伦科夫辐射理论的回顾,文章给出了在无界空间和半空间情形下的切伦科夫辐射表达式,研究了半空间为双负材料时的辐射功率的解析表达式(全文的研究也是基于此模型),验证了波矢量与坡印廷矢量的反向,最后还给出了材料参数对辐射总功率的影响。(2)在第三章,文章对色散的各向同性双负材料中的切伦科夫辐射做了详细的讨论,给出辐射频谱分布与各参数的关系式,进而研究了在此情形下材料参数对辐射总功率的影响。(3)在第四章,文章研究了各向异性双负材料中的切伦科夫辐射,给出了在单轴电各向异性和单轴磁各向异性时的切伦科夫辐射总功率表达式,讨论了此时材料参数对辐射总功率的影响。(4)最后在第五章,文章讨论了如何获取双负材料的特性参数,计算机仿真设计了一种双负材料,根据仿真结果提取了材料参数并讨论了这种双负材料在切伦科夫辐射中的应用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 切伦科夫辐射简介
• 1.1.1 切伦科夫辐射的发现
• 1.1.2 切伦科夫辐射的应用
• 1.2 双负材料简介
• 1.2.1 双负材料的提出
• 1.2.2 双负材料的研究意义及现状
• 1.3 双负材料中的反向切伦科夫辐射
• 1.3.1 理论研究进展
• 1.3.2 实验研究的进展
• 1.3.3 应用和挑战
• 1.4 本文的主要内容
• 第二章 非色散的各向同性双负材料中的切伦科夫辐射
• 2.1 麦克斯维方程
• 2.2 定性研究
• 2.3 运动点电荷的场
• 2.4 在半空间模型下对切伦科夫辐射的研究
• 2.4.1 运动电荷在普通媒质中激发的切伦科夫辐射
• 2.4.2 运动电荷在双负媒质中激发的切伦科夫辐射
• 第三章 色散的各向同性双负材料中切伦科夫辐射
• 3.1 引言
• 3.2 无损耗时频率色散的各向同性双负材料中的切伦科夫辐射
• 3.2.1 介电常数为频率色散时的情形
• 3.2.2 磁导率为频率色散时的情形
• 3.2.3 介电常数和磁导率都是频率色散时的情形
• 3.3 有损耗时频率色散的各向同性双负材料中的切伦科夫辐射
• 3.3.1 介电常数为频率色散时的情形
• 3.3.2 磁导率为频率色散时的情形
• 3.4 小结
• 第四章 各向异性双负材料中的反向切伦科夫辐射
• 4.1 引言
• 4.2 各向异性媒质中的麦克斯韦方程
• 4.3 各向异性双负媒质中的切伦科夫辐射
• 4.3.1 双负材料为单轴电各向异性时的情形
• 4.3.2 双负材料为单轴磁各向异性时的情形
• 4.4 小结
• 第五章 双负材料的设计及其应用
• 5.1 双负材料的设计基础
• 5.1.1 负的介电常数的产生方法
• 5.1.2 负的磁导率的产生方法
• 5.1.3 负的介电常数和磁导率的参数提取
• 5.1.3.1 各向同性的双负材料的参数提取
• 5.1.3.2 双各向异性双负材料的参数提取
• 5.2 双负材料的设计及其应用
• 5.2.1 双负材料的设计
• 5.2.2 双负材料的参数提取及其在切伦科夫辐射中的应用
• 5.3 小结
• 第六章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果