左手材料中圆偏振光束的反常旋转特性研究

摘要

左手材料是一类人工复合材料，其特点是材料的介电常数ε和磁导率μ在一定频段同时为负值。1968年，前苏联物理学家Veselago根据麦克斯韦方程组的卷积形式，大胆预测了电磁波在介电常数和磁导率同时为负的情况下，其能量的传输方向和波的相位传输方向相反。Veselago将这种材料命名为“左手材料”。该材料一经提出，便引起了广泛的关注，并且在人们对其特性进行研究之后，发现它在天线、雷达、电磁波隐形和卫星通信等方面有着广阔的应用前景。一时间，关于左手材料的探索成为了研究热点。本文着重研究左手材料中圆偏振光束的传输特性，取得了如下成果：
　　 第一：根据Whittaker势场理论给出了圆偏振光束的相应表达式，以此出发利用麦克斯韦方程组的基本规律建立了光束在自由空间的传播模型，得到了光束在自由空间传播时的矢量场分布。基于此模型，研究了圆偏振光束在左手材料中的反常旋转特性。
　　 第二：通过对光束在右手材料和左手材料中旋转特性的比较，发现了左手材料中光束因偏振态、矢量结构和衍射的不同而表现出的反常旋转特性。指出了光束分别在右手材料和左手材料中传输时：偏振态对强度质心偏移方向的影响恰好相反；矢量结构的改变，对强度质心偏移趋势的影响恰好相反；衍射对强度质心旋转方向的影响恰好相反。通过对光束强度质心的分析，发现了其旋转角等于古伊相。发现随着传输的进行，这种光束的旋转速度趋缓，最终旋转速度将趋于零。
　　 第三：为了深入了解左手材料中光束产生反常旋转特性的主要原因，我们进一步分析了光束的自旋流和轨道流。发现了在左手材料中自旋流和轨道流的反转特性，并根据自旋流和轨道流的内在联系分析了横向能流反转的原因。最终揭示了能流旋转特性变化是圆偏振光束产生反转特性的主要原因。通过对光束自旋流、轨道流和横向能流的研究，深入了解了圆偏振光束的旋转特性，从而对矢量光束的传播特性有了更为深入的认识。