孟恒芳 王 權 劉艷紅

(山西大同大學 山西 大同 037000)

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新型人工微結構電磁材料中損耗的利與弊*

孟恒芳 王 權 劉艷紅

(山西大同大學 山西 大同 037000)

本文主要介紹了新型人工微結構材料中損耗對材料性能的影響. 隨著生產(chǎn)工藝和制備技術的提升，使新型人工微結構電磁材料獲得了特殊的研究地位和研究價值．通常人工微結構材料的制備原材料都是取自于金屬材料，而對于金屬材料，損耗是不可避免的. 那么損耗對微結構材料性能的影響成為人們關注的熱點. 通過研究材料電磁損耗的物理機制得出損耗雖然對電磁材料的應用帶來負面效應，但是在特殊材料結構中損耗反而是有益的. 將分析過程及結果滲透到本科物理學專業(yè)《電動力學》的實踐課中，不僅拓寬了學生的知識面，而且提升了學生的創(chuàng)新能力．

人工微結構材料 電磁損耗 電磁性能

新型人工微結構電磁材料是一種人造材料，在很長時間內(nèi)吸引了科學家和學者們的注意．近來，通過對各種媒質(zhì)和材料的生產(chǎn)工藝和制備技術的研究和發(fā)展，使微結構電磁材料獲得了特殊的研究地位和研究價值，例如：亞波長金屬陣列的光學傳輸特性增強，光學微結構或納米結構尺度的操作、檢測和成像等領域都屬于這個研究范疇．

新型人工微結構電磁材料是人們根據(jù)電磁學理論的計算所構造出來的，具有非常規(guī)電磁屬性的人造媒質(zhì)或材料．由于它通常是由多種自然物質(zhì)(如電介質(zhì)和金屬)按照特定的規(guī)則組合而成，所以也有學者把它稱為復合材料. 通常微結構電磁材料的制備原材料都是取自于金屬材料，而對于金屬材料，損耗是不可避免的．那么損耗對特異材料性能的影響是怎樣的呢？大量的研究工作證明，損耗已經(jīng)限制了特異材料很多方面的應用[1,2]，同時由于損耗的不可避免性，人們對如何減小損耗也做了很多工作[3]．例如在結構中加入增益材料以后，結構的透射率得到了提高，但是卻使其結構的負折射性質(zhì)消失；文獻[4]中通過減小損耗材料的尺度即將銀膜被分成了多份后與介質(zhì)形成金屬-介質(zhì)周期性結構后，銀膜的透射率得到了很大的提高，但是付出的代價卻是銀膜由整塊分成了小塊，等等．而還有課題組已經(jīng)證實只有存在實質(zhì)性的損耗才能實現(xiàn)負折射現(xiàn)象[5]．因此研究損耗對材料性能的影響對于描述和評估材料的電磁特性及應用有著非常重要的意義.

本文主要從人工微結電磁材料損耗的物理機制分析損耗對電磁材料性能的影響．將分析過程及結果引入到本科物理學專業(yè)《電動力學》的實踐課中，不僅拓寬了學生的知識面，而且提升了學生的創(chuàng)新能力．

1 電磁損耗機制

電磁損耗是普遍存在的現(xiàn)象，隨著電磁波各頻段在太空探測、海洋海底探測、地下遙感等領域的廣泛應用，電磁波在損耗介質(zhì)內(nèi)部及其界面的傳播行為已成為基礎和應用研究熱點．電磁波在介質(zhì)界面會產(chǎn)生反射和折射，斯奈爾定律和菲涅爾定律是兩個相應的基本定律，由經(jīng)典電動理論我們知道，介質(zhì)中的麥克斯韋方程為

(1)

采用國際單位制，可以得到電磁場對材料介質(zhì)作用的關系式，即本構關系(或者物質(zhì)方程). 對于均勻、各向同性電磁材料的本構關系為

(2)

從以上本構關系式中可以看到，介電常數(shù)(ε)、磁導率(μ)和電導率(σ)是描述物質(zhì)電磁性質(zhì)的基本物理量，決定著電磁波在物質(zhì)中的傳播．當電磁波通過損耗媒質(zhì)時，在電場作用下電荷質(zhì)點會發(fā)生相互位移，使得正負電荷中心分離，形成許多電偶極子，此過程即為極化．在發(fā)生極化的過程中，電磁能量以熱的形式損耗掉即產(chǎn)生損耗．對于損耗媒質(zhì)介電常數(shù)是復數(shù)

(3)

式中傳播常數(shù)為復數(shù)形式

k=α+iβ

其中

為衰減常數(shù)，它的存在引起了常量振幅的減小，即電磁能量的損耗．

2 損耗對電磁材料性能的影響

以人工微結構電磁材料中的單負材料為例，對于損耗電單負媒質(zhì)采用Drude模型描述介電常數(shù)

(3)

其中ωep表示電等離子體頻率，γe表示單負材料的耗散系數(shù)，ω為圓頻率，a為正實數(shù)．所以介電常數(shù)是復數(shù)形式，設為ε=εR+iεI，實部εR和虛部εI分別為

(4)

電荷不能像導體那樣通過處于電場中的電介質(zhì)，但在電場作用下電荷質(zhì)點會發(fā)生相互位移，使得正負電荷中心分離，形成許多電偶極子，此過程即為極化．在發(fā)生極化的過程中，產(chǎn)生熱形式的電損耗和電磁輻射損耗．

考慮電磁波穿過一個單層損耗型負介電常數(shù)材料，周圍是空氣，材料的折射率為n，厚度為d．由于介電常數(shù)是復數(shù)所以材料的折射率也是復數(shù)，其中實部nR和虛部nI與ε和μ之間滿足如下關系

(5)

我們定量地對負介電常數(shù)材料的透射性質(zhì)做了分析．圖1給出了電磁波通過單層損耗型負介電常數(shù)材料時的透射率、反射率和吸收率隨著耗散系數(shù)γe的變化．圖中的實線、虛線和點線分別為透射率、反射率和吸收率的變化曲線．由實線的變化可以看到，隨著耗散系數(shù)γe的增大，透射率呈現(xiàn)出了非單調(diào)的變化過程，這個結果與損耗型介電材料中透射率隨著耗散系數(shù)的增大而單調(diào)減小的結果截然不同．

圖1 單層損耗型電單負材料的透射率、反射率和吸收率隨著耗散系數(shù)的變化曲線．

影響損耗型材料的透射特性的兩個主要因素是：一個是有多少電磁波能量進入了材料，即材料的反射率，反射率降低，則透射率有可能增高；另一個是進入材料的電磁波能量有多少被吸收掉了，即材料的吸收率，吸收率降低，則透射率會增高．對于電單負材料，由于其折射率為純虛數(shù)而導致很高的反射率．因此，對于電單負材料，反射率的變化將對透射特性有很大的影響．隨著耗散系數(shù)的增大，損耗型單負特異材料的透射在某些頻率段是增高的，即增大損耗反而增大了材料透射特性．

3 總結

本文以損耗型電單負材料為例研究了損耗系數(shù)對材料透射性的影響，研究結果表明，損耗的存在不一定只是降低材料的透射性，在某些特殊人工微結構材料中隨著其耗散系數(shù)的增加透射系數(shù)反而是增加的，這一點正是損耗有利的一面．因此損耗對材料電磁性能的影響是既有弊的時候，也有利的時候．

1 S.Zhang, W.Fan,B.K.Minhas,et al,Magnetic nano-structures exhibiting a negative permeability.Phys.Rev.Lett.2005,94,037402

2 A.N.Grigorenko,A.K.Geim,H.F.Gleeson,et al,Nano- fabricated media with negative permeability at visible frequencies.nature,2005,438,335

3 M.I.Stockman,Criterion for Negative Refraction with Low Optical Losses from a Fundamental Principle of Causality.Phys.Rev.Lett.,2007,98,177404

4 M.J.Bloemer,M.Scalora,Transmissive properties of Ag/MgF2photonic band gaps.Appl.Phys.Lett.,1998,72,1676

5 M.Stockman,Criterion for negative refraction with low optical losses from a fundamental principle of causality.Phys.Rev.Lett.,2007,98,177404

Advantages and Disadvantages of the Loss in New Microstructure Electromagnetic Materials

Meng Hengfang Wang Quan Liu Yanhong

(Datong Univershity,Datong,Shanxi 037009)

This paper discussed the loss effect to material electromagnetic properties in new microstructure materials. As production processes and technology are rising,people set an status and the value of the study to microstructure materials.Usually, the main raw material is metal, but the loss is impossible to metal.The effect of loss to materials performance has become the hot topic.This led us to the conclusion that the loss can bring about not only negative effects but also positive effects. Seeping analysis to electrodynamics practical lessons has both widened students′ range of knowledge,and promoted student′s aptitude of creation.

microstructure material;electromagnetic loss;materials performance

*山西省高等學校大學生創(chuàng)業(yè)訓練項目，項目編號：2014354

劉艷紅(1979- )，女，博士，副教授， 主要從事凝聚態(tài)物理教學與科研工作.

2016-03-15)