● 摘要
负折射率介质（也被称为左手介质）最早由前苏联科学家Veselago在20世纪60年代从理论上提出来的，是一种具有介电常数ε和磁导率μ同时为负值的介质，它具有诸如负相位速度，负折射率，理想成像，逆Doppler频移及反常的Cerenkon辐射等多种奇异的物理现象。但由于在自然界中没能找到这样的材料，而沉寂了多年。近几年来，人们在实验上取得了突破性的进展，制造出了负折射率材料，而重新引起了人们极大的兴趣。首先人们从理论上对左手介质的研究倾注了极大的热情，并取得了一些很好的结果，但在有些方面还存在着争议。涉及最多的是负折射现象在物理上的因果率，例如Valanju等人通过一些理论计算认为所谓的“负折射率材料”只是相速的折射率n_，可以是负的，而携带物理信号的群速度的折射率n_g永远是正的，由此引发了许多争议。此外，由Pendry提出负折射率介质能放大倏逝波，甚至能用于构造完美的透镜，这一观点也引起了人们强烈的兴趣和争论。 本文从理论上证明了电磁波从右手介质入射到左手介质中发生的负折射现象不违背物理因果律；研究了倏逝波在包含左手介质层的多层平板结构中的传播特性，解析地分析了倏逝波在不同结构参数下的放大或衰减规律，及其原因以及能流的分布；对电磁波从右手介质（ε>O，μ>O））入射到左手介质界面发生的GOOS-hl&anc}lerl位移，以及电磁波通过置于空气中的左手介质平板发生的横向位移做了理论性的探讨。获得主要结论如下： 1.负折射现象的理论研究 根据折射方向与平均能流方向一致的理论，本部分分别用两个频率稍有差异的平面电磁波和高斯光束从均匀的非色散的右手介质入射到均匀色散的左手介质中，获得了场的表达式，解析的求解了坡印亭矢量S对时间平均值。结果展示了光从右手介质入射到左手介质中发生负折射，其折射方向是透射光束中各个频率矢量合成的平均方向。并在Drude介质中验证了折射角与Snell.折射定律一致。理沦上证明了电磁波从右手介质入射到左手介质发生的负折射不违背因果律。 2.光子隧道效应 用TE波入射到含负折射率介质的四层平板结构中（不考虑介质的损耗），当隧道层中左手介质层和右手介质层的厚度、阻抗相匹配时，电磁波在这样的结构中传播能产生全透射。与通常的光子隧道效应相比较，光子在这样的结构中能传播更远的距离（约几个λ）。在全透射条件满足的情况下，分析了隧道层场的变化和传播方向能流的变化及其原因。在五层系统中获得了类似的结论。当考虑左手介质损耗时，即使损耗因子δ稍微变化一点，透射率迅速下降，即损耗因子造成了右手介质层和左手介质层的阻抗不再匹配，而导致透射率下降。该理论推算可用于利用光子隧道效应的设计，如光子隧道扫描显微镜。 3.横向位移 在界面上用Renard方法讨论了平面电磁波从右手介质入射到左手介质界面的Goos—Haanchen位移，方向为负，与能流方向一致。并用稳相法详细研究了光入射到置于空气中的左手介质平板中透射光束的横向位移。当入射角度，折射率，平板厚度满足一定的条件时，透射光束的横向位移可能为正（一般情况下为负），提出了为正的必要条件。并讨论了共振点和反射光束横向位移的性质。同时由群时延在平板中的定义，讨论了群时延为正的充分条件和必要条件。用高斯光束从左手介质平板中透射，理论上验证了稳相法的有效性。