颗粒复合材料的负折射率现象研究
颗粒复合材料的负折射率现象研究[20200406105225]
摘 要
本文中利用有效媒质近似，我们研究了球形颗粒浸入基质中形成的颗粒复合材料的有效折射率。数值结果发现将金属颗粒浸入磁基质中和磁颗粒浸入金属基质中时，通过适当调节颗粒的体积分数，并使频率处在一定的要求范围内这样就可以使材料具备负折射率的特性，且可以使颗粒复合材料的左手性质达到最高。
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关键字:负折射率左手化的性质体系有效折射率颗粒复合材料
目 录
第1章 绪论 1
1.1课题背景与意义 1
1.2颗粒复合材料简介 1
第2章 左手材料简介 3
2.1左手材料发展历程 3
2.2左手材料电磁特性 3
2.3左手材料的应用 5
2.4左手材料的研究动态及展望 6
第3章 左手材料负折射率研究现状 8
3.1负折射率的发现 8
3.2负折射率研究现状 9
3.3研究展望 10
第4章 颗粒复合材料的负折射率现象研究 11
4.1理论基础 11
4.2模型体系 12
4.3第一类球贝塞尔方程 15
4.3.1球贝塞尔方程的解法 15
4.3.2数值结果和讨论 16
4.3.3结论 24
参考文献 25
致谢 26
第1章 绪论
1.1课题背景与意义
根据麦克斯维有关电磁场强的重要理论，电场强和磁场强通过自身的变化彼此激励，电磁波就是这样传播的。电磁场中电磁场性质是由其中的物理量磁导率μ与介电常数ε来描述的。如果在某个物质中磁导率和介电常数都是正的，那么根据麦克斯韦关于电磁场的结论，电场、磁场和波矢三个量符合右手螺旋法则，这种物体即为RHM，中文名右手媒质。
上个世纪六十年代中叶，与RHM相对的LHM被名为Veselago的物理学家提出，左手化媒质被光（或微波）穿越是，折射现象不符合经典Snell折射定律。
作为左手物质研究第一人，他发现物理上，负值的磁导率和介电常数是使这种材料与一般材料不同的地方。
磁场、电场和波矢三个物理量复合左手螺旋法则，因此这种物质被他命名为左手介质(LHM)。他的研究报告中还提到左手介质与右手介质中电磁波的存在方式和运动方式有很大区别，比如光的负折射，反多普勒效应等等。因此Soviet Phys.Usp.将他发表在《物理科学进展》[1]上的文章的译文刊登出来，希望可以让更多人了这一概念。左手材料在现实的自然世界中并不存在，虽然它的确有很多独特的性质。因此，他的研究也仅仅只是一种假想和猜测，没有得到完整的理论和实验的证明。此后的30年里，这项研究也没得到其他研究者太多的关注。
1.2颗粒复合材料简介
我们研究复合材料时发现这种颗粒结构的材料可以和其他材料结合，这里面包括金属也可以不是金属的成分，我们使用高科技的方法将这些物质合成为颗粒复合材料，对于这种金属基的颗粒增强型的复合材料，物理性质的差异必然会在材料的合成中出现不同的反应。因此，不同的混合组成分以及不同的材料最终形成了具有多样且优良的物理性能。
近年来，颗粒复合材料受到了广泛的关注，主要是因为它在内存器件方面和光电混合处理方面有着宽广的市场前景，科研人员开展了很多这方面的工作，在理论和实践上的科研工作都非常的丰富，并取得了一定的成果。对三组分复合系统（如非线性壳的金属颗粒），不能使用常规的谱密度函数来讨论，一般情况是通过拉普拉斯方程求解局域场，但是求解的过程十分复杂。因此，我们首先利用等效介电常数的方法和谱表示法，从而绕过复杂的解决方法。
由于颗粒复合材料中的介电参数是跟随外场的变化而发生改变的，它因为巨大的实用意义被人们广泛关注。非线性粒子成分分布在非线性或线性矩阵媒体形成典型的颗粒复合材料，为了使整个体系都增强非线性介电响应，我们通过表面谐振产生场效应，让非线性纳米颗粒性质改变。截至目前为止，这些理论和实验的研究成果已经获得了突飞猛进的重大发展。
这种材料的合成方式就是用一个自己选择的基质，再选择我们需要的有自己属性的材料，我们选择颗粒状的物体随机的放入我们选定的介质里面，通过一些我们可以控制的人为选择方式制造出最终的复合材料。由不同类型的颗粒材料形成颗粒复合材料后，表现出原来的组成物的性质比原来单个的颗粒材料更优秀，丰富的可选材料加上许许多多的可选组合方式，让这种体系下的结果可能性十分巨大，为我们的带来了巨大的研究空间。我们在工程上，通常使用的大部分的介质往往是由各种各样的介电性能各自都不相同的成分组分经过混合后的复合介质，因此通过我们自己设立的模型推倒出来的合成材料的介电性能，能够表现的出更多丰富的实用意义，本课题将尽可能详细的阐述颗粒复合材料中的负折射率的现象和性质。
第2章 左手材料简介
在现在这些时间，国际上对左手材料进行了广泛的研究，物理电磁学上，这成为了又一大研究热潮。物理量磁导率可以充分表现以及介质的电磁性质，通过介电函数进行补充。右手螺旋法则中规定了右手材料中磁导率大于0，介电函数也要大于0；但是左手材料中，这两个物理量都小于0，电磁场，波动的矢量要满
足左手螺旋法则。实验表明左手材料的很多特点都打破了我们对传统电磁场的认识和理解，它所具备的很多电磁特性都是全新的，以前从未接触过的。本章节重点介绍和描述了电磁特性等左手材料具有的性质，综合它的钻探近况，对其发展做了具体的介绍，并展望了它的发展前景。
2.1左手材料发展历程
有过一位著名学者发表过这样一个重大现象：介电函数和电磁导率都为负值的东西，其的电磁属性和普通材料相比完全不一样，并指出当电磁波照射在这样的介质上时会发生奇怪的折射现象，但这种物质并不是在自然界中存在的，因此他的研究并没能进入到实际的实验阶段。上个世纪九十年代末Pendry提出了一种全新的线性周期结构且它使介质的介电常数变为了负值。到了1999年，他们发明了具有电磁场特征反应的周期结构让介质中的磁导率变成的负值，这样使用电介质制作的材料就基本证明了负折射率材料确实是存在的，所有这些实验使得人们对这种材料越发的有兴趣了。史密斯和其他加利福尼亚大学的物理学家根据Pendry的建议，第一次创建了微波波段的材料并使他具有负的磁导率和负介电常数，通过人工合成的手段证明了负折射材料确实是存在的。多伦多大学的列弗特拉达斯教授和加利福尼亚大学的伊藤带领的研究小组几乎同时提出了基于周期性的制造材料的网络的新方法教授。且最近关于左手材料的研究与论文发表都也越来越多了。
2.2左手材料电磁特性
著名学者多普勒曾经发表过一篇重要文章，其中描述了一个效应：当我们观测到某一时刻增加了振动频率，此时波源被观察者所接近；与此相反，频率就会减少，这是由逆多普勒效应结合波动理论来证明。举个例子，大气中声音的传播，当你站在火车轨道旁边观察开来的火车时，它的汽笛声越来越大，离开你时越来越小，汽笛声代表了频率和音调。逆多普勒效应是一种特别现象--左手介质内的波中发生的现象，它内部两种速度相反，相的速度为正，群的速度为负，也就是这两个物理量的传播方向相反，如果它们同向前进，观察者发现到的频率会变低，与此相反就会变高。与波源的相对距离变大时，一般材料里面的反射波频率变低，但观察到在LHM里会变高。切伦柯夫辐射是指在粒子中一开始就存在的电磁场与一些次波发生相互干涉，辐射出一个新的电磁场强的现象。其作用环境是由在反常辐射中介质中运动的带电粒子周围引发的电流产生次波，并且粒子达到了超光速，仅限于介质中。一般材料中，锥面大约是由干涉导致的波平面。电磁波向外辐射的方向就是这个锥面的法线的方向，这样出现了一个角度，它是粒子运动和能量辐射偏向的夹角。
摘 要
本文中利用有效媒质近似，我们研究了球形颗粒浸入基质中形成的颗粒复合材料的有效折射率。数值结果发现将金属颗粒浸入磁基质中和磁颗粒浸入金属基质中时，通过适当调节颗粒的体积分数，并使频率处在一定的要求范围内这样就可以使材料具备负折射率的特性，且可以使颗粒复合材料的左手性质达到最高。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:负折射率左手化的性质体系有效折射率颗粒复合材料
目 录
第1章 绪论 1
1.1课题背景与意义 1
1.2颗粒复合材料简介 1
第2章 左手材料简介 3
2.1左手材料发展历程 3
2.2左手材料电磁特性 3
2.3左手材料的应用 5
2.4左手材料的研究动态及展望 6
第3章 左手材料负折射率研究现状 8
3.1负折射率的发现 8
3.2负折射率研究现状 9
3.3研究展望 10
第4章 颗粒复合材料的负折射率现象研究 11
4.1理论基础 11
4.2模型体系 12
4.3第一类球贝塞尔方程 15
4.3.1球贝塞尔方程的解法 15
4.3.2数值结果和讨论 16
4.3.3结论 24
参考文献 25
致谢 26
第1章 绪论
1.1课题背景与意义
根据麦克斯维有关电磁场强的重要理论，电场强和磁场强通过自身的变化彼此激励，电磁波就是这样传播的。电磁场中电磁场性质是由其中的物理量磁导率μ与介电常数ε来描述的。如果在某个物质中磁导率和介电常数都是正的，那么根据麦克斯韦关于电磁场的结论，电场、磁场和波矢三个量符合右手螺旋法则，这种物体即为RHM，中文名右手媒质。
上个世纪六十年代中叶，与RHM相对的LHM被名为Veselago的物理学家提出，左手化媒质被光（或微波）穿越是，折射现象不符合经典Snell折射定律。
作为左手物质研究第一人，他发现物理上，负值的磁导率和介电常数是使这种材料与一般材料不同的地方。
磁场、电场和波矢三个物理量复合左手螺旋法则，因此这种物质被他命名为左手介质(LHM)。他的研究报告中还提到左手介质与右手介质中电磁波的存在方式和运动方式有很大区别，比如光的负折射，反多普勒效应等等。因此Soviet Phys.Usp.将他发表在《物理科学进展》[1]上的文章的译文刊登出来，希望可以让更多人了这一概念。左手材料在现实的自然世界中并不存在，虽然它的确有很多独特的性质。因此，他的研究也仅仅只是一种假想和猜测，没有得到完整的理论和实验的证明。此后的30年里，这项研究也没得到其他研究者太多的关注。
1.2颗粒复合材料简介
我们研究复合材料时发现这种颗粒结构的材料可以和其他材料结合，这里面包括金属也可以不是金属的成分，我们使用高科技的方法将这些物质合成为颗粒复合材料，对于这种金属基的颗粒增强型的复合材料，物理性质的差异必然会在材料的合成中出现不同的反应。因此，不同的混合组成分以及不同的材料最终形成了具有多样且优良的物理性能。
近年来，颗粒复合材料受到了广泛的关注，主要是因为它在内存器件方面和光电混合处理方面有着宽广的市场前景，科研人员开展了很多这方面的工作，在理论和实践上的科研工作都非常的丰富，并取得了一定的成果。对三组分复合系统（如非线性壳的金属颗粒），不能使用常规的谱密度函数来讨论，一般情况是通过拉普拉斯方程求解局域场，但是求解的过程十分复杂。因此，我们首先利用等效介电常数的方法和谱表示法，从而绕过复杂的解决方法。
由于颗粒复合材料中的介电参数是跟随外场的变化而发生改变的，它因为巨大的实用意义被人们广泛关注。非线性粒子成分分布在非线性或线性矩阵媒体形成典型的颗粒复合材料，为了使整个体系都增强非线性介电响应，我们通过表面谐振产生场效应，让非线性纳米颗粒性质改变。截至目前为止，这些理论和实验的研究成果已经获得了突飞猛进的重大发展。
这种材料的合成方式就是用一个自己选择的基质，再选择我们需要的有自己属性的材料，我们选择颗粒状的物体随机的放入我们选定的介质里面，通过一些我们可以控制的人为选择方式制造出最终的复合材料。由不同类型的颗粒材料形成颗粒复合材料后，表现出原来的组成物的性质比原来单个的颗粒材料更优秀，丰富的可选材料加上许许多多的可选组合方式，让这种体系下的结果可能性十分巨大，为我们的带来了巨大的研究空间。我们在工程上，通常使用的大部分的介质往往是由各种各样的介电性能各自都不相同的成分组分经过混合后的复合介质，因此通过我们自己设立的模型推倒出来的合成材料的介电性能，能够表现的出更多丰富的实用意义，本课题将尽可能详细的阐述颗粒复合材料中的负折射率的现象和性质。
第2章 左手材料简介
在现在这些时间，国际上对左手材料进行了广泛的研究，物理电磁学上，这成为了又一大研究热潮。物理量磁导率可以充分表现以及介质的电磁性质，通过介电函数进行补充。右手螺旋法则中规定了右手材料中磁导率大于0，介电函数也要大于0；但是左手材料中，这两个物理量都小于0，电磁场，波动的矢量要满
足左手螺旋法则。实验表明左手材料的很多特点都打破了我们对传统电磁场的认识和理解，它所具备的很多电磁特性都是全新的，以前从未接触过的。本章节重点介绍和描述了电磁特性等左手材料具有的性质，综合它的钻探近况，对其发展做了具体的介绍，并展望了它的发展前景。
2.1左手材料发展历程
有过一位著名学者发表过这样一个重大现象：介电函数和电磁导率都为负值的东西，其的电磁属性和普通材料相比完全不一样，并指出当电磁波照射在这样的介质上时会发生奇怪的折射现象，但这种物质并不是在自然界中存在的，因此他的研究并没能进入到实际的实验阶段。上个世纪九十年代末Pendry提出了一种全新的线性周期结构且它使介质的介电常数变为了负值。到了1999年，他们发明了具有电磁场特征反应的周期结构让介质中的磁导率变成的负值，这样使用电介质制作的材料就基本证明了负折射率材料确实是存在的，所有这些实验使得人们对这种材料越发的有兴趣了。史密斯和其他加利福尼亚大学的物理学家根据Pendry的建议，第一次创建了微波波段的材料并使他具有负的磁导率和负介电常数，通过人工合成的手段证明了负折射材料确实是存在的。多伦多大学的列弗特拉达斯教授和加利福尼亚大学的伊藤带领的研究小组几乎同时提出了基于周期性的制造材料的网络的新方法教授。且最近关于左手材料的研究与论文发表都也越来越多了。
2.2左手材料电磁特性
著名学者多普勒曾经发表过一篇重要文章，其中描述了一个效应：当我们观测到某一时刻增加了振动频率，此时波源被观察者所接近；与此相反，频率就会减少，这是由逆多普勒效应结合波动理论来证明。举个例子，大气中声音的传播，当你站在火车轨道旁边观察开来的火车时，它的汽笛声越来越大，离开你时越来越小，汽笛声代表了频率和音调。逆多普勒效应是一种特别现象--左手介质内的波中发生的现象，它内部两种速度相反，相的速度为正，群的速度为负，也就是这两个物理量的传播方向相反，如果它们同向前进，观察者发现到的频率会变低，与此相反就会变高。与波源的相对距离变大时，一般材料里面的反射波频率变低，但观察到在LHM里会变高。切伦柯夫辐射是指在粒子中一开始就存在的电磁场与一些次波发生相互干涉，辐射出一个新的电磁场强的现象。其作用环境是由在反常辐射中介质中运动的带电粒子周围引发的电流产生次波，并且粒子达到了超光速，仅限于介质中。一般材料中，锥面大约是由干涉导致的波平面。电磁波向外辐射的方向就是这个锥面的法线的方向，这样出现了一个角度，它是粒子运动和能量辐射偏向的夹角。
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