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《电磁波在正负折射率介质分界面上的折射与反射》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第25卷第6期衡阳师范学院学报No.6Vol.252004年12月JournalofHengyangNormalUniversityDec.2004电磁波在正负折射率介质分界面上的折射与反射1,23游开明,文双春(1.武汉理工大学信息工程学院,武汉 430070;2.衡阳师范学院物理与电子信息科学系,湖南衡阳 421008;3.湖南大学计算机与通信学院通信与电子工程系,长沙 410082)摘 要:最近的理论和实验证明了人工合成负折射率材料的可能性。本文详细研究了电磁波在正、负折射率介质分界面上的折射与反射规律,归纳出了不同情形下的Snell定
2、律,并推广了菲涅耳定律。此外还发现,在正负折射率介质的分界面上依然存在全反射,全反射时的表面波能量有向前传播的,也有向后传播的,负折射只改变折射方向,不改变反射与透射场强的幅度。关键词:负折射率;折射;反射;菲涅耳定律;全反射中图分类号:O43511文献标识码:A文章编号:1673—0313(2004)06—0018—04[7]现象,从而实验证明了构造负折射率介质是可能存在的。11引言从此,负折射率介质激发了国际学术界对这种介质中出现的光学中最基本的现象之一是折射。当一束光入射到两新现象及其可能的应用前景的积极思考。种不同介质的分界面时,它的
3、路径将根据两种介质的折射率由于负折射率介质是一种全新的、自然界不存在的材之差而改变。折射率之差越大,则光束折射越大。对于自然料,要想弄清楚电磁波在其中的传播特性就必须对一些“众界中所有已知的介质来说,折射率均取正值。但是否情况必所周知”的电磁理论进行重新评估。现在的经典电磁学课本须如此呢?里还没有包含负磁导率的公式,假如应用这些已经存在的公1964年前苏联物理学家V.G.Veselago在考虑没有能量式来分析负折射率介质可能会导致错误的结果,因此我们有损失的情况下同时改变介质με,的符号,结果仍然满足麦克必要利用负的介电常数和负的磁导率重新研
4、究一些基本的斯维方程以及色散关系,因此他假想了一种材料,在这种材电磁场理论问题。本文详细研究了电磁波在正负折射率介料里电磁波的行为与在一般材料中的行为是完全不同的。[1]质分界面上的折射与反射规律,并与经典电磁学中已有的常Veselago预言这种不平常的介质将展示出大量的新奇的光规介质分界面上的折射与反射规律进行比较,找出它们不同学现象,从逆几何光学到逆Doppler效应。然而,Veselago的之处。观点一直没有被证实,直到最近人们才发现这种介质。[2]2 负折射介质中的波矢量与坡印亭矢量最近几年,关于负折射介质的争论非常激烈。1996-1
5、999年,英国皇家学院的JohnPendry等人相继发表文章从理电磁波在介质中传播遵循Maxwell方程组论上证明了用周期性排列的金属条和金属开口谐振环组成9Bý×E=-的结构能够在一个给定的频率范围内产生负等效介电常数9t和负等效磁导率。[3,4,5]2000年,美国麻省理工学院的Smith9Dý×H=+J(1)9t研究小组根据Pendry等人的理论首次人工合成了具有负折ý·D=ρ[6]射率的“超物质”。2001年他们又做了一个实验,首次观测ý·B=0到微波束在这种“超物质”和空气的分界面上出现了负折射收稿日期:2004—09—27作者简介
6、:游开明(1959—),男,湖南祁阳人,衡阳师范学院物理与电子信息科学系副教授,在读博士,主要从事传输光学的研究1©1995-2006TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.2004年第6期游开明,文双春:电磁波在正负折射率介质分界面上的折射与反射19式中E,D,H,B分别表示电场强度,电位移矢量,磁场强度,入射波、反射波和折射波电场切向分量的幅度分别为Ei0、磁感应强度,J和ρ分别表示电流密度和电荷密度,且均是Er0和Et0。根据z=0处的边界条件可以得到(rÁ,t)的函数。
7、其中D,B与E,H之间满足如下本构关系Ei0exp(iKixx+iKiyy)+Er0exp(iKrxx+iKry)B=μH,D=εE(2)=Et0exp(iKtxx+iKtyy)(6)式中ε和μ分别为介质的介电常数和磁导率。上式在z=0的边界上任意一点都是成立的,于是有Ei0对于波矢量为k,角频率为的平面电磁波+Er0=Et0,其约束条件为E(r,t)=E0exp(K·r-ωt)Kix=Krx=Ktx=Kx(7)(3)H(r,t)H0exP(K·r-ωt)和在无源区域,麦克斯韦方程组(1)变为Kiy=Kry=Kty=Ky(8)K×E=ωμH因
8、此满足边界条件的结果是所有波矢的切向分量是连续的。K×H=-ωεE(4)这一结果称为相位匹配条件。K·E=03.2 反射定律与折射定律(Snell定律)K·E=0图
