超材料磁共振特性仿真研究

李鴻梅　孔繁之

摘要：該文利用MATLAB和vc++技術(shù)研究了兩種不同的電磁超材料間近場輻射特性，對電磁場能量傳輸系數(shù)的模式分布特性進(jìn)行了仿真分析，考慮s偏振即TE波情況，在w=40～60THz頻率范圍內(nèi)存在峰值，s偏振的近場熱傳輸通量極大增加，這是由w=40-60THz頻率范圍內(nèi)存在磁共振，支持s偏振表面波的激發(fā)，進(jìn)而引起了近場熱傳輸?shù)脑鰪?qiáng)。

關(guān)鍵詞：Matlab；VC++；超材料；磁共振；仿真

眾所周知，信息科技日新月異，科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展以及計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用使得信息化時(shí)代全面到來，作為社會(huì)發(fā)展的重要手段之一，計(jì)算機(jī)技術(shù)融入了人類生活的方方面面。并且隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)和科學(xué)研究緊密聯(lián)合，計(jì)算機(jī)技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代科學(xué)研發(fā)過程中不容忽視的一部分。計(jì)算機(jī)仿真就是將物理學(xué)所研究的內(nèi)容與計(jì)算機(jī)科學(xué)緊密結(jié)合以仿真程序的運(yùn)行來實(shí)現(xiàn)物理過程，解決物理問題。計(jì)算機(jī)仿真具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1）計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度非常快，因此大大地提高了計(jì)算效率。

（2）由于仿真是在虛擬環(huán)境下進(jìn)行的仿真，不受外界條件（比如場地、實(shí)驗(yàn)設(shè)備等）的限制，因此節(jié)省了人力物力的消耗。

Matlab（全稱是Matrix Laboratory）是一種功能十分強(qiáng)大、運(yùn)算效率很高的數(shù)字工具軟件。其主要特征是：

（1）易學(xué)易用性：Matlab以復(fù)數(shù)矩陣或數(shù)組為數(shù)據(jù)單元進(jìn)行運(yùn)算，可直接處理矩陣或數(shù)組；并且含有豐富的內(nèi)部函數(shù)，可直接調(diào)用（如用來求解微分方程、求解線性方程組的Solve函數(shù)）；使用者不需要精通非常高深的數(shù)學(xué)專業(yè)知識以及很專業(yè)的程序設(shè)計(jì)技巧。

（2）強(qiáng)大的繪圖功能：使用者只需一條或幾條語句就可方便地給出復(fù)雜的二維、三維圖形。

（3）高效性：MATLAB語言結(jié)構(gòu)緊湊，內(nèi)涵豐富，即使是十分復(fù)雜的任務(wù)也可能只需要一條語句就能夠完成所需要操作的任務(wù)，而不需要像應(yīng)用c++去編寫數(shù)據(jù)處理模塊那樣，要編寫很多行代碼才能完成，因此，它大大提高了研究人員研究軟件開發(fā)的效率。

（4）可擴(kuò)展性：擴(kuò)展性是MATLAB最顯著的特征，也就是說它的程序文件是可以編寫的，使用者可以根據(jù)自己的編程需要定義具有一定功能的程序文件，即M文件。通過M文件形式，共享C、Fortran等語言的資源。

Visual C++是用來在Windows環(huán)境下開發(fā)應(yīng)用程序，作為可視化編程工具它功能十分強(qiáng)大的，同時(shí)擁有友好的可視化界面。它以可視化技術(shù)為基礎(chǔ)，以C++語言為藍(lán)本，以眾多的集成工具為支撐，在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛。它以實(shí)用的開發(fā)環(huán)境和集成工具極大地提高了使用者開發(fā)應(yīng)用程序效率。

由于Matlab可拓展性，也就是說它的程序文件是可以編寫的，使用者可以根據(jù)自己的編程需要定義具有一定功能的程序文件，通過M文件形式，共享C、Fortran等語言的資源；因此本文利用MATLAB調(diào)用VC函數(shù)來實(shí)現(xiàn)超材料在太赫茲波段磁共振特性仿真研究，通過使用這種方法，我們可以在更好地發(fā)揮MATLAB強(qiáng)大的功能的前提下，更快地運(yùn)行程序得到我們想要實(shí)現(xiàn)的運(yùn)行結(jié)果，因而我們可以利用這項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)仿真技術(shù)研究。

超材料又稱特異介質(zhì)，它是一種人工復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，它通過在關(guān)鍵物理尺度上結(jié)構(gòu)的有序設(shè)計(jì)，使得超材料具有天然材料所不具備的反常物理性質(zhì)。根據(jù)電磁超材料工作的頻譜范圍，超材料可以簡單地劃分為微波超材料、太赫茲超材料及光學(xué)超材料。電磁超材料最早是在微波頻率段實(shí)現(xiàn)的，隨后很快發(fā)展到從太赫茲到紅外及可見光的幾乎整個(gè)電磁頻譜范圍。研究人員通過設(shè)計(jì)不同的微結(jié)構(gòu)，可使超材料的相對等效介電常數(shù)、相對等效磁導(dǎo)率為正實(shí)數(shù)、負(fù)實(shí)數(shù)或復(fù)數(shù)，從而使超材料中電磁波傳播方式從根本上發(fā)生變化。超材料在移動(dòng)通信、超聲波成像和醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域有著極大的應(yīng)用前景。超材料已經(jīng)逐漸發(fā)展成為一門涵蓋電磁學(xué)、材料科學(xué)、聲學(xué)、生命科學(xué)、微波與天線工程、經(jīng)典光學(xué)、納米科學(xué)等眾多學(xué)科交叉的學(xué)科。特別是平面超材料的光學(xué)元件的研發(fā)與傳統(tǒng)光學(xué)元件的體積和重量相比被極大地減小，光學(xué)元件更加向小型化和集成化方向發(fā)展。同時(shí)，通過改變超材料結(jié)構(gòu)單元的尺寸，可以使其工作在不同的波段（如中遠(yuǎn)紅外或者太赫茲波段這是傳統(tǒng)光學(xué)元件比較缺乏的光學(xué)頻段）。近來，研究人員一直致力于在太赫茲與光波段構(gòu)造寬頻段、易于生產(chǎn)加工的超材料以及提高超材料的性能等方面的研究。超材料已經(jīng)在微波器件設(shè)計(jì)和制造行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。在可見光范圍內(nèi)，超材料可以應(yīng)用于單分子探測、及探測血液中誘導(dǎo)發(fā)生疾病的蛋白質(zhì)分子與醫(yī)學(xué)診斷成像等方面，這是由于超材料不受衍射極限的約束，可以用來制作“完美透鏡”應(yīng)用于上述領(lǐng)域。此外，由于超材料具有天然材料所不具備的負(fù)折射性與倏逝波放大性，因此可用來制作應(yīng)用于集成光路中的光學(xué)引導(dǎo)元件，并且有希望制造出擁有更好分辨率的扁平型的光學(xué)透鏡元件。總之，對超材料的某些性能的調(diào)控對于超材料的應(yīng)用有著重要而深遠(yuǎn)的意義。對超材料的某些性能的調(diào)控可以是通過施加電場、磁場、激光輻射等外部信號改變超材料的電磁學(xué)性質(zhì)，這可以通過改變和擴(kuò)展超材料的工作頻段來實(shí)現(xiàn)，并且可以用來開發(fā)調(diào)制器等各種主動(dòng)光子器件。因此，人們致力于超材料的某些性能的調(diào)控的研究，并且取得了很大的進(jìn)展。比如：人們設(shè)計(jì)了基于可變電容的微波段可調(diào)超材料、基于MEMS工藝的機(jī)械可重構(gòu)超材料和基于活性媒質(zhì)的混合結(jié)構(gòu)超材料等。