微波与光波的电磁力和电磁转矩研究

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电磁力问题是电动力学重要的基本问题,其中静态场和准静态场的电磁力问题在第二次工业革命时期就已经由科学家们做出了完善的研究,其成果早成为了电机、电器和电磁测量等等学科的理论基础。然而,当前的信息社会对微波与光波的电磁力问题也提出了更新的研究需求。本文在两项国家自然科学基金(NO.50577029,50777023)的资助下对微波与光波的电磁力和电磁转矩问题进行了系统的研究。  微波与光波的电磁力和电磁转矩问题没有成熟的模型可以使用,相关的理论研究成果极少报导,本文对微波与光波中媒质的受力进行了系统分类,并对几类基本的媒质受力问题给出了分析计算结果,得到了一般性的结论。本文还提出等效源受力的概念,所有电磁受力问题都能统一到等效源受力的框架下来分析。为了获得持续有效的电磁力,提出了两类电磁受力时间平均值不为零的模型,即自由源受力模型和束缚源受力模型。提出了电荷波和电流波的概念,推导了自由电荷波和电流波受到切向电磁力不为零的条件。构造了一种利用PN结阵列获得非零切向电磁力的具体结构,推导了这种新结构受到最大切向电磁力的同步条件。计算了凋落波作用下导电媒质的电磁力,发现了凋落波增强导电媒质电磁力的效应。  针对光波中媒质受到电磁力非常小的问题,本文利用束缚源模型,提出了用一维缺陷光子晶体中的电磁局域原理提高电磁力的方案。分析计算表明,在平面电磁波的照射下缺陷层的法向电磁力在理论上可为无穷大,同时切向力也得到提高,并且只有电磁波斜入射,媒质有损耗,切向电磁力才会存在。  光致旋转是当代光领域的研究热点,光携带的角动量被利用来推动物体转动,但是转动力矩通常很小,只可操控微小物体。这方面的研究也比较多,然而,获得大电磁转矩的报道却很少。本文在缺陷一维光子晶体中引入了各向异性媒质层,使用Berreman4矩阵法计算了缺陷各向异性光子晶体中场的特性,发现缺陷光子晶体中的各向异性层,除了受到法向电磁力之外,还受到电磁转矩的作用,转矩的大小不随转动引起的位置变化而变化,缺陷模频率下,电磁转矩得到提高;与这层各向异性介质单独在同样光照射下的转矩相比,处在缺陷光子晶体中的各向异性层受到的电磁转矩增大了12个数量级;同时,理论上无损各向异性介质没有热损耗。  本文把电磁力和电磁转矩问题的研究扩展了到微波与光波,构造出两类模型提高了电磁力,提出了电荷波电流波与电磁波的相互作用模型,有助于丰富和完善电磁力的有关理论和计算内容;同时,对一维光子晶体中电磁力和电磁转矩的研究为进一步研究二维和三维光子晶体中电磁力和电磁转矩的相关问题并拓展其应用范围提供了基础。
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