手征介质中电磁波传播特性及手征介质粒子对平面波的光散射研究

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手性是一个在许多常见材料都涉及的几何概念。手征物体是指不能通过任意平移或旋转操作使其与镜像重合的物体,任意方向平面波在手征介质传播都会发生偏振状态的改变:即产生旋光和圆二色性。手征介质展示出的电磁特性使其在物理、化学、生物医疗、超灵敏检测、超材料制备等许多理论和应用领域中都有着广泛的应用。本文从手征介质(粒子)中电磁传播特性及散射方面展开研究工作:给出手征介质本构方程之间介质参数的相互转换关系;研究了手征参数在电磁波传播模式中的作用,推导了手征介质之间、手征介质-非手征介质分界面的反射功率和透射功率关系;研究了电大尺寸手征球、手征圆柱和手征椭球及介质平面附近手征球粒子对平面波的光散射。主要工作如下:给出了吸收介质目标光散射的几何光学近似研究流程,总结了吸收情况下的有效折射率、复透射角、相位变化等对散射光线复振幅函数的影响,研究了散射角与入射角的对应关系,通过与米理论解法的算例对比验证了该方法的有效性。简单介绍了米理论、广义洛伦兹米理论和复矢量射线等常用的光散射计算方法。介绍了四种常见的手征介质本构关系,基于麦克斯韦方程推导了这些本构关系下手征介质中电磁波传播满足的波动方程,研究了各本构关系的介电参数和手征参数之间的转换关系。从Post-Jaggard本构关系出发,利用麦克斯韦方程组微分式推导了两手征介质分界面上的反射、透射系数矩阵公式和相应的功率表达式。给出了手征介质1或2退化为非手征介质时相应反射和透射系数的推导思路,及手征介质1和2满足同极化波或交叉极化波折射率相等、阻抗匹配、镜像复共轭和理想电磁导体衬底条件时的反射和透射系数公式。数值分析了随着入射角变化过程中电磁波传播模式的变化和反射波、透射波的各种特性。讨论了任意极化方向电磁波在手征介质中的传播特性,分析了手征参数对手征介质中电磁波传播模式的影响。基于入射波、反射波和透射波的时间平均坡印亭矢量在分界面上的法向分量连续性关系,分别得到了任意极化方向入射波在非手征介质-手征介质平面/右旋圆极化波或左旋圆极化波入射到手征介质-非手征介质交界面上的归一化反射功率和透射功率表示式。数值分析了手征介质与非手征介质之间波数大小关系和阻抗匹配条件下的入射角、手征参数和介电常数等对反射功率和透射功率的影响。推导了电大尺寸手征介质球粒子对平面电磁波前向光散射的几何光学近似方法。首先基于电磁场在介质边界上的连续性条件,分析得到手征球内外表面上平面电磁波的反射和透射系数。然后研究了手征介质内部光线的传播轨迹及由于光的反射和透射产生的相位差,给出了包括球粒子外表面上的反射光、衍射光和经球粒子内部的一阶透射光的振幅叠加构成的几何光学近似的散射强度表达式。对电大粒径尺寸手征介质球的交叉极化和同极化散射强度分布进行计算,研究了手征参数、介电常数和球的粒径尺寸等对散射的影响。将几何光学近似扩展到非球形手征介质粒子的散射研究中。分析了无限长手征圆柱和椭球模型中的射线追踪过程。给出了椭球的各阶射线之间入射角、透射角和入射点坐标之间的递推关系;研究了两种模型下焦线、光学路程等对射线相位产生变化。给出了手征圆柱和手征椭球前向光散射的计算结果。研究了介质平面附近手征球粒子对平面波的散射。根据柱矢量波函数展开的入射波、反射波和透射波得到反射和透射系数;利用投影法得到了手征球粒子内外区域中的入射场、反射场、散射场、散射反射场和内部场满足的方程;研究了 TE波和TM波入射时影响手征球粒子微分散射截面的参数。
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