左手材料-2009-8-24
左手材料简介
采用微结构单元替代磁性材料中的原子和分子 可实现高频磁响应。 Yen等采用光刻蚀技术（photoproliferated process）加工制备了结构单元为30μm左右的 铜SRRs阵列，制备的不同系列的SRRs样品的几 何参数为：线宽4μm或6μm，内外环间距2μm 或3μm，外环边长分别为26μm，32μm，36μm， 晶格常数分别为36μm，44μm，50μm。 SRRs的材质为铜，厚度为3μm，其基板为 400μm微米厚的石英。
从图二可以看到:左手材料的透射功率沿 [10],[11],[01]三个方向并不完全重合,这意味着上述 LHM并不是各向同性的(isotropic)。原因在于上述 左手材料在组装时存在一些误差,而SRR的共振频 率对材料参数的微小变化极端敏感。 比较图一和图二,可以发现在频率10.3-11.1GHz之间 出现了透射功率, 且数值仿真结果和透射实验数据 吻合较好。用转移矩阵法计算得到的LHM和SRRs 透射功率如图四所示. 比较图三和图四, 可以看到:理论计算结果与实验数 据吻合较好.这4个图说明在频率10.3-11.1GHz之间, 按上述方法所制备的材料的确为左手材料(LHM).
3、左手材料纳米天线
纳米天线是由纳米金属线和圆环组成，具有等 离子体效应，能对光子进行直接操纵，引导光 无损耗的绕过拐角，由光子取代电子来完成电 子线路的基本功能。 因为纳米天线可用于制造新颖光子器件，如带 通滤波器、调制器、固态天线和体积小、速度 快的芯片和电子计算机。 红外波段磁响应的实现可应用于生物安全成像、 生物分子指纹识别、遥感、可视度极底的天气 下的导航、微型谐振腔、可调透镜、隔离器等。
所谓的Goos-Hänchen位移是指当光波在两种介质的分界面 处发生全反射时，反射光束在界面上相对于几何光学预言 的位臵有一个很小的侧向位移，且该位移沿光波传播的方 向。 光波s分量和p分量的Goos-Hänchen位移大小为
电磁隐身超材料
该吸波材料的厚度可以仅有 1/35 的工作
波长，在 GHz 窄频段内能实现接近 100%的 吸收率。
Landy N I, Sajuyigbe S, Mock J J, et al. Perfect metamaterial absorber[J]. Physical Review Letters, 2008, 100(20):207402.
(m2 ) (dBsm) 10lg 2 1(m )
RCS缩减10dB意味着减少了90%的散射功率，返回的只剩1/10，极大地降低了目 标被探测到的可能性。
Part Two
心得体会
✿整理雷达方程可得雷 达最大作用距离为
R max
Pt G t G r 2 1/ 4 [ ] 3 (4) Pmin
Partபைடு நூலகம்One
1.4 新型人工电磁表面的优势 (Metasurface)
新型人工电磁材料是通过控制材料的介电常数与磁导率来实现奇异的物理特 性，而根据广义的反射和折射定律，新型人工电磁表面能够通过谐振单元引入相 位突变，控制表面不同位置的折射或反射相位来实现空间电磁波的调控，因而设 计更加方便灵活。广义反射和折射定律的理论一经提出，迅速引起了世界范围内 的关注。 新型人工电磁表面凭借着独特的物理性质，在操纵电磁波的幅度、相位、极 化、波态、方向等方面展示出自由灵活的优越性，为新型人工电磁材料的发展注 入了新的活力，在新型电磁隐身、微波和太赫兹器件、光电子器件等诸多领域具 有广阔的发展前景。
Part Two
2.3.3 地幔斗篷(Mantle cloaks）
地幔斗篷的概念由 Andrea Alu 在 2009 年首次提出。该方法使用超薄共形的新型人 工电磁表面覆盖隐身目标，通过调整表面单 元的形状和尺寸，合成有效的平均表面阻抗, 来调节新型人工电磁表面上的表面电流。斗 篷上产生反相的散射场与隐身目标的散射场 产生相消干涉，因此减少了整个系统的可见 性。 对于不同的隐身目标，都需要特殊设计 外部的隐身罩，一定程度限制了其在隐身中 的实际应用。
左手材料-负折射率材料
借鉴自然界中的原子和分子结构，设计新型的人工原子和分子结构， 以实现更高级的左手材料功能。
多物理场调控材料
探索在电磁场、温度场、压力场等多物理场作用下，左手材料的性 能变化和调控机制，为新材料的研发提供理论支持。
技术创新与应用拓展
高效制备技术
研发新型的制备技术，实现左手材料的快速 、低成本、大规模制备，以满足市场需求。
引领科技革命
左手材料在通信、能源等领域的应用前景广阔，有望引领新一轮 的科技革命。
促进交叉学科发展
左手材料涉及物理学、化学、生物学等多个学科领域，其研究将 促进交叉学科的发展和融合。
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05 左手材料面临的挑战与解 决方案
材料稳定性问题
总结词
左手材料的稳定性问题是限制其应用的关键因素之一。
详细描述
左手材料在外部环境变化下容易发生结构变化和性能衰退，这会影响其负折射率的稳定性和可靠性。
制备成本问题
总结词
高昂的制备成本是阻碍左手材料广泛应 用的重要因素。
VS
详细描述
目前，左手材料的制备通常需要复杂的实 验设备和精细的工艺控制，这导致了较高 的制造成本。降低制备成本是推动左手材 料普及的关键。
应用领域
微波器件
利用左手材料的特殊性质，可 以设计出性能优异的新型微波
器件，如滤波器、天线等。
光学领域
左手材料在光学领域的应用前 景广阔，如光子晶体、光学隐 身等。
军事领域
由于左手材料具有反向的 Doppler效应等特性，可以应 用于军事雷达和隐身技术。
生物医学
左手材料在生物医学领域也有 潜在的应用价值，如医学成像
左手材料的研究及应用
一
、
研 究 概 况
ＬＨＭ ｓ 是近年来国际物理 学和电
学等 单位 均有科学 家先行涉足这一领 域 的研 究 。 中国国家 自然 科学基 金 委
将左手材料和负折射效 应的研究 列入
了 ２ ０ 年 重 点 交 叉 项 目指 南 中， 在 ０５ 并
磁 学一 个全 新 的研 究领域 。 目前 如何
由于空 间通信 与微 波（ 频） 射 武器
等 领域 对 天 线 的要求 日益 提 高， 因此 要求 天线 具 有 高定 向性， 以确保 通 信
的 保 密 性 和 高 效 性 ； 求 低 质 量 ， 具 要 以
完 成 ， 获 得 具 有 自主 知 识 产 权 的 将 左 手材 料 和 电调 波 束 扫 描 天 线 等方 面 的应用 器件 ， 进 外 场对体 系 电磁 促 性 能 的调 控 和 亚 波长 金 属微 结 构测
及 在 强 色散 体 系 中静 态 和 动态 的 电
磁 模拟仿真系统 ， 获得 非 均 匀 左 手 材 料 在 平 面 高 方 向性 天 线 、 间 飞 空 行 器 天 线罩 及 电调 波 束 扫 描 天 线 中
的应 用 。
二 用现 状 应
随着对左 手材料制备和物理特 性
等研 究的 深入 ， 科学 家们已经 开始 尝 试研 究开发 左 手材料 的 市场 应用。 目 前， 因为 红 外及 可见 光 波段 左 手材 料 的制备 技术 还 不成熟 ， 以 左手材 料 所 的市场应 用研 究 集 中在微 波 波段 ， 特 别 是用 在 天 线及 射 频 武 器 领域 。 ３ 表 列 出了左 手材料的 已知应用领域 。
提 高 Ｌ Ｍ 能 ， 计 一 种 性 能 稳 定 、 ｓ Ｈ 性 设
左手材料的奇异特性研究
左手材料的奇异特性研究摘要：左手材料是一种介电常数ε和磁导率μ都是负的人工周期结构材料，在其中传播的电磁波的群速度与相速度方向相反，从而呈现出许多起义的特性。
本文介绍了左手材料的基本概念、原理、奇异的特性以及其潜在的应用。
关键词：左手材料；反常折射；能流的方向和波矢方向相反；消除手机辐射；隐身术；引言在谈左手材料之前，先说一下什么是右手材料。
对于一般电解质而言，介电常数ε和磁导率μ都是非负的常数，由有麦克斯韦方程可知，在ε和μ都为正值的物质中，电场、磁场和波矢之间构成右手关系，我们称这样的物质为右手性介质（RHM）。
1968年，前苏联物理学家Veselago在理论上研究了介电常数ε和磁导率μ都为负值的物质的电磁学特性，他发现与常规材料不同的是：当ε和μ都为负值时，电场、磁场和波矢之间构成左手关系，他称这种假想的物质为左手性介质（LHM）。
他还指出，左手性介质中电磁波的行为与在右手性介质中有很大的不同，比如光的负折射率、负的切连科夫效应、反多普勒效应等等。
1996年尽管左手性介质有很多新奇的特性，但在自然界中人类尚未发现真实存在的左手性物质，因此它还主要处在实验室研究阶段。
目前左手性材料的研究仍是科学的热点项目。
一、何谓左手性材料在经典电动力学中，对于无损耗、各项同性、空间介质均匀的自由空间，Maxwell方程组为：正弦时变电磁波的波动方程（Helmholtz方程）为：其中n代表折射率，c是真空中光速。
自然界中物质的ε和μ一般都与电磁波频率有关，如果不考虑任何能量的损耗，在正常的介质中，n、ε和μ在大多数情况下都为正数，此时方程（1）有波动解，电磁波能在其中传播。
对于无损耗、各项同性、空间介质均匀，有Maxwell方程组能推出平面电磁波方程为：且有可见，电磁波是横波，波的相位传播矢量K和电矢量E和磁矢量H互相垂直，并且K、E、H之间满足右手螺旋关系。
这种常规的介质就被称为“右手材料”（Right - Hand Materials）。
(整理)左手材料在天线中的应用研究进展
左手材料在天线中的应用研究进展摘要：首先从理论上解释了左手材料用于天线设计时实现天线高指向性、高效率、小型化以及大的扫描范围的原因，然后重点介绍了基于金属谐振结构和复合左/右手传输线(CRLH TL)结构的左手材料用于天线设计时的研究进展，显示了金属谐振结构在提高天线方向性、增大天线增益、减小天线体积等方面具有很大优势，而CRLH TL 结构在提高天线带宽、增加天线频带、增大漏波天线扫描范围等方面具有潜在应用价值。
关键词：左手材料；天线；金属谐振结构；复合左/右手传输线结构0 引言左手材料(Left-Handed Material ，LHM)又被称为双负介质，它是一类在一定的频率下同时具有负磁导率和负介电常数的新型人工电磁结构材料。
1968年，前苏联物理学家Veselago[1]首次从理论上研究了电磁波在介电常数和磁导率同时为负的物质中传播的奇异特性，如负折射率等。
20世纪90年代，英国物理学家Pendry 等人相继提出了用周期性金属棒结构（Rod ）[2]和金属谐振环结构（SRR ）[3]分别来实现负介电常数和负磁导率的设想，为左手材料的实现提供了基础。
依据Pendry 的设计思想，2000年Smith 等人[4]把以上两种结构有规律地排列在一起，首次制出了在微波段同时具有负介电常数和负磁导率的材料。
而Pendry [5]关于双负介质平板可以放大或恢复倏逝波来实现完美聚焦成像的建议为左手材料的研究起到了进一步的推动作用。
2002年，美国加州大学的Itoh 教授[6]提出了一种新的设计左手材料的方法—左手传输线，它是用串联交指电容来实现的。
几乎同时加拿大多伦多大学的Eleftheriades 教授[7]提出了周期加载串联电容和并联电感组成的平面一维左手传输线结构。
2004年，Itoh 等人[8]又提出了复合左/右手传输线（CRLH TL ）概念，这开创了一个全新的研究领域，复合左/右手传输线是最有可能首先得到应用的左手材料。
左手材料综述
左手材料及其在器件中的应用摘要：左手材料是近年来国际上研究的热点，具有负折射率、逆多普勒效应、完美成像等一系列性质，通过金属周期性结构及传输线可人工实现，在天线及新型微波器件等性能改进方面具有极大的优势。
在自然界中，介质的介电常数ε和磁导率μ是描述物质基本电磁性质的两个重要参数，这两个参数决定着电磁波的传播特性。
当介质的介电常数和磁导率都为正值时，根据电磁波理论可知介质中的电场、磁场和电磁波传播常数(E、H、k)三者之间构成右手螺旋关系，所以这类物质被称为右手材料(right一handed materials，RHMs)。
而左手材料是指介电常数和磁导率同时为负数的材料，在这种介质中，电场、磁场和电磁波传播常数三者之间构成左手螺旋关系。
这是一种新颖奇异的材料,其通常也称负折射率材料。
一、左手材料的发展历史1968年，前苏联科学家Veselago VG发现介电常数ε和磁导率μ都为负值的物质的电磁学性质与常规材料不同，还指出当平面电磁波照射在这样的媒介时，会发生反常的折射现象，不过其在自然界中并不存在，因此他的研究只是停留在理论上。
1996年Pendry提出了金属线周期结构，这种结构可使介质的介电常数为负。
1999年，Pendry等人又用电介质体设计了一种具有磁响应的周期性结构实现了介质磁导率的负值，进而展现了负折射率材料存在的可能性，人们对这种材料也投入了更多的兴趣。
2001年，加州大学San Diego分校的Smith等物理学家根据Pendry等人的建议，首次制造出在微波波段具有负介电常数和负磁导率的物质，证明了负折射材料的存在。
2002年，美国加州大学Itoh教授和加拿大多伦多大学Eleftheriades教授领导的研究组几乎同时提出一种基于周期性LC网络的实现左手材料的新方法。
目前基于LC网络的左手材料的研究在理论和实验上都有很大进展。
研究还表明LC左手材料在微波电路、天线等方面的应用中具有很大的优势。
左手材料基本知识
左手材料基本知识总结1 引言19世纪60年代，Maxwell方程组的提出极大地促进了人工复合电磁材料的发展。
人工复合电磁材料是指自然界中并不存在，而是人们根据电磁场理论推导、计算、设计并且制备出来的，具有特殊电磁属性的人造媒质或材料。
它通常是由两种或两种以上的自然界物质（主要是金属和电介质）按照一定的规则组成。
在众多人工复合电磁材料的研究中，最具代表性的是光子晶体带隙（photonic crystal band-gap，PBG）材料和左手材料（left-handed materials，LHMs）。
虽然左手材料仅在最近十年才得到深入研究，但其在物理学、材料学、光学、力学和应用电磁学等领域所产生的影响力丝毫不逊于光子晶体。
左手材料由于介电常数与磁导率同时为负而具有多种特殊的电磁性质，在精密仪器、智能控制和通讯系统等领域具有不可估量的应用价值。
在左手材料研究工作的基础上，超材料（metamaterials）的概念又被历史性地提出，这使得人们对材料的认识水平上升到了新的高度。
继“负折射率左手材料”被美国Science杂志评为2003年的世界十大科技突破之后，“超材料隐身斗篷”再次被评为2006年的世界十大科技突破之一。
2007年，超材料又被美国的材料领域权威综述杂志Materials Today评选为材料科学领域在过去50年间的十大进展之一。
以左手材料为典型代表的超材料开辟了新的研究领域，正在推动着新一轮的技术革新。
在世界上第一种人工左手材料制备出不久，科技界就预言左手材料能够给天线领域带来革命性的变化。
近几年的相关研究表明，左手材料及单负材料（独立具有负介电常数或负磁导率性质）已经在天线上显示出了巨大的优势。
国内外众多的科研小组在这个领域开展了大量的研究工作，并取得了丰硕的研究成果。
与传统天线相比，利用左手材料及单负材料设计出的新型天线具有性能和结构上的双重优势，在商业和军事上均有广阔的应用前景，同时将对人类生活产生深远的影响。
左手材料-双负材料-科普知识-ppt
左手材料的人工实现
1. 微波段双负材料的实现
① 金属谐振结构左手材料的实现 目前，对于左手材料人工等效实现的研究，主要集
中在以金属谐振结构为基础的人工等 效实现研究，通 过 SRRs 周期结构形式的改进及研究，完成左手材料的 人工等效实现。
2000 年美国加州大学 San Diego 分校的科学家 D.R.Smith 等采用电路板刻蚀技术制备了铜 SRRs 和铜线 并周期性排列成结构材料，并测量了其微波透射曲线。 大于共振频率ωm 的范围内体系出现负的磁导率。
r为金属线半径； a为晶格常数； co为真空中光速。 因此，调整阵列的晶格常数和金属杆半径可实 现红外、THz波段的负介电响应。 Zhang课题组实现了红外和THz波段的负介电响 应。
负磁导率问题：
采用微结构单元替代磁性材料中的原子和分子 可寸实SR现Rs高按20频比04年磁例T响缩．应小J．。时YP，eenn其等dr采磁y理用响论光应研刻可究蚀扩表技展术明到加当红工单外元波尺 段而制不备能了扩结展构到单可元见为光30µ波m段左。右的铜SRRs阵列，
问题的关键在于：这种物质必须拥有负折射
率多。年到苦当寻时，为没止所能有找已到知满的足物的质材都料拥有，正其折 射率。 猜想也被淡忘。
双负材料的实现关键是介电常数和磁导率同时 小于零，即系统中必须存在两个独立的谐振(电谐
振 起来和当比磁ωp较谐>困振ω时难)，，。且可谐以振使的频介段电要常有数重为叠负部值分。，实现
⑤ 反常切伦柯夫辐射
当带电粒子在介质中匀速运动时会在其周围 引起诱导电流，诱导电流激发次波，当粒子速度 超过介质中光速时，这些次波和原来粒子的电磁 场互相干涉，从而辐射出电磁场，称为切伦柯夫 辐射。正常材料中，干涉后形成的波面，即等相 面是一个锥面。电磁波能量沿此锥面的法线方向 辐射出去，是向前辐射的，形成一个向后的锥角， 即能量辐射的方向和粒子运动方向夹角θ。θ由 式子cosθ=c/nv确定，其中v是粒子运动的速度。 而在负群速度介质中,能量的传播方向和相速相 反，因而辐射将背向粒子的运动方向发出,辐射 方向形成一个向前的锥角。
左手材料研究进展及应用前景
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张世鸿 等 :左手材料研究进展及应用前景
左手特性才会出现 。目前研究的左手材料是由开环谐 振器和金属细线两种结构周期排列组成 ,在制作和使 用上都有一定的难度 ,且呈现左手材料性质的频段较 窄 ,应用受到限制 。科学家们对呈现出左手特性的其 它结构也进行了研究 ,比如美国特拉华大学的 S. T. Chui 等人[9] 提出使用金属磁性纳米颗粒复合材料制 备左手材料 ,把金属磁性纳米颗粒嵌入到绝缘基体中 , 同时控制颗粒的磁化方向以及颗粒所占的体积比 。由 于在等离子频率下金属可以呈现出负的介电常数 ,而 磁性颗粒的共振又可以使磁导率为负值 ,这就使该材 料在某些频率下呈现出介电常数和磁导率皆为负值的 左手性质 。这种材料结构均一 ,没有复杂的微结构 ,因 而使材料容易制备和使用 ,而且它呈现左手性质的频 率范围可能较大 ,可以通过调节纳米颗粒的尺寸和体 积比来调节它的应用频段 。
其中等离子体频率ωp =
N q2
mε0
≈ 56.
4
N ,m 为
总动量值 , N 为平均电荷密度 。其介电常数随频率变
化而变化 ,当工作频率低于 ωp 时 , 将εp (ω) < 0 ,此时 波矢为虚数 ,电磁波不能在等离子体内传播 。J . Pen2
dry 为左手材料的实现奠定了理论基础 ,1996 年发表
出相反性质 。
2. 3. 1 负介电常数的实现
等离子体的介电常数表示为 Drude 模型 :
εp (ω)
= ε0
1
-
ωp2 ω2
左手材料LeftHandedMetamaterials及负折射率的研究进展课件
左手材料(Left-Handed Metamaterials) 及负折射率的研究进展
报告人： 沈江汉
导师：
刘中民 研究员
辅助导师： 王华 副研究员
主要内容
什么是左手材料（Left-Handed Metamaterials)与负折射率
左手材料的研究与进展 负折射率的应用前景
左手材料（LHM）与负折射率
在经典电动力学中，介质的电磁性质可以用介
电 常 数 ε和磁导率μ两个宏观参数来描述。 正 弦时变电磁场的波动方程（Helmholtz方 程）为：
▽ 2 E k 2 E 0 ▽ 2 B k 2 B 0 （1）
其中 k2 2 2 r 0r0
✓折射光仍然满足Snell定律 n1sin1n2sin2
❖ “完美透镜”的局限与解决方法
虽然负折射率材料制成的“完美透镜”可以实现亚波 长分辨率，但是实现“完美透镜”的条件是相当苛刻的。 目前还只能在微波区段实现负折射率，而且频率范围很窄。 它们都是对电磁波有较大的损耗，而且很难将尺寸制作到 足够小以至于在光学频率下使用。
光子晶体 (Photonic Crystals)
Fig 9. (a) Measured angular profile of the normalized Ez(r), at f =12.6 GHz for detector distances of 33 and 66 cm from the wedges. (b) Measured 33 cm data compared to simulated results at 33, 66, and 238 cm (100 )from the wedges.
1996-1999年，Pendry等人相继提出了用周期性排列的 金属条和开口金属谐振环(Split-Ring Resonator)可以在 微波波段产生负等效介电常数和负等效磁导率。
左手材料在天线中的运用研究进展(doc 12页)
左手材料在天线中的运用研究进展(doc 12页)左手材料在天线中的应用研究进展摘要：首先从理论上解释了左手材料用于天线设计时实现天线高指向性、高效率、小型化以及大的扫描范围的原因，然后重点介绍了基于金属谐振结构和复合左/右手传输线(CRLH TL)结构的左手材料用于天线设计时的研究进展，显示了金属谐振结构在提高天线方向性、增大天线增益、减小天线体积等方面具有很大优势，而CRLH TL结构在提高天线带宽、增加天线频带、增大漏波天线扫描范围等方面具有潜在应用价值。
关键词：左手材料；天线；金属谐振结构；复合左/右手传输线结构0引言左手材料(Left-Handed Material，LHM)又被称为双负介质，它是一类在一定的频率下同时能首先得到应用的左手材料。
左手材料在微波平板聚焦透镜、带通滤波器、耦合器、天线以及隐身衣等方面具有广泛的应用前景。
特别是在天线上的应用更具吸引力，因为它具有传统天线无法比拟的优点，它可以提高天线的方向性系数和增益、增大天线辐射效率、增加天线带宽、减小天线系统尺寸等。
1 左手材料天线1.1 高指向性利用左手材料奇异的电磁特性，可以实现左手材料平板透镜聚焦效应，从而可以改善天线辐射特性，提高天线的方向性，进而增大辐射增益。
Enoch等人[9]最早研究了具有零折射特性的左手材料在天线定向辐射上的应用。
他们指出在适当的条件下，嵌入到平板左手材料的全向天线向自由空间辐射的电磁波会被聚集在法线方向附近，从而减小了天线的半波瓣宽度，提高了天线的方向性，增大了其增益。
他们考虑了一种最简单的左手材料：薄金属网孔的线介质。
实验和理论的研究表明这种连续的线介质具有等离子频率的特性，在微波频段其等效介电常数为：221peff ωωε=-（1）当ω很接近ωp 时，可以看到其等效介电常数接近于0，从而实现了零折射特性。
下图给出了简单的几何光学原理解释：图1 等效折射率接近零的左手材料平板中源的辐射示意图Fig.1 The emission of a source inside a slab of LHM whose optical index is close to zero.把一辐射源嵌入到折射率接近于零的左手材料平板中，其周围为均匀各向同性的介质，可以看到所有的折射光线基本上都是沿着法线方向出去，这一现象可以用斯奈尔定律解释[10]:meta inout vac n sin sin n θθ=（2）在这里θout 为折射角，θin 为入射角。
左手材料的应用
3负折射材料的应用3. 1倏逝波的放大Pendry[ 14 ]指出:在正折射率介质中指数衰减的倏逝波进入负折射率介质后随即增长. Zhang等[ 15 ]人的研究也发现负折射率材料能极大地增强光子隧道效应. 这些理论研究都是在负折射率介质没有任何损耗的情况下提出来的. 众所周知,任何介质都不可避免地带有损耗和色散等性质, 因此,对于倏逝波在负折射率介质中的传播不能用简单的方法来研究.图4为多层平板结构示意图,该结构是一种物理模型,主要用来研究负折射率介质中,倏逝波的传播情况[ 16 ]. 其中n l , u l ( l = 1, 2, 3 , 4)表示第l层介质参数; d2 , d3 为中间两层介质的厚度;第3层为负折射率介质,即n3 < 0,μ 3 < 0;在z < 0和z > d2 + d3 的区域,材料均匀无限延伸. 然后根据麦克斯韦方程的对称性,来计算电场的传播模式:E l ( x, z) = [A l exp ( ik lz ( z - z l- 1 ) ) + B l exp ( - ik lz ( z -z l- 1 ) ) exp ( ik x x) (6)其中z0 = z1 = 0, z l = z l - 1 + d1 ( l = 2, 3) , k x 为平面波波矢在x轴方向的分量; k lz表示介质l中平面波波矢在z方向的分量. 当波为行波时, k lz = k20 n2l - k2x ;当波为倏逝波时, k lz =i k2x - k20 n2l .图4四层介质组成的传输阵列,其中第三层为负折射介质其次是放大过程分析[ 16 ] : 先考虑中间两层分别为理想的正折射率介质和负折射率介质时,倏逝波的变化规律,当n l , u l 取特定数值代入上式时,发现电场为指数衰减和指数增长的两个部分的叠加, 其变化规律由两个部分的相对强度决定. 陈龙等经过计算得出:在介质2中任何一点z的放大(即d| E2 | 2d z> 0) 或者衰减(即d| E2 | 2d z< 0) 的变化趋势由exp ( - 2β·z) 的相对大小决定;在介质3中,由exp ( -2βd3 ) 和exp ( - 2β·( z - d2 ) ) 确定. 当介质4和3阻抗匹配, 则只有单个方向的倏逝波存在,电场在正、负折射率介质层中分别以指数衰减和指数增长, 倏逝波在负折射率介质中是一个完全放大的过程. 倏逝波在负折射率介质中的放大效应, 使负折射率介质有可能应用在光子隧道效应(光耦合) 和完善透镜等方面.3. 2光子隧道效应[15, 17 ]倏逝波进入负折射介质后被放大的过程, 其实也是光子隧道效应的结果,这主要是因为在该介质中,能量的转移主要依赖于光子隧道效应. 其原理是:在两种正折射介质中增加负折射率介质,当前面两种介质之间的势能不是足够低,也就是说当势阱宽度不小于波长λ时,光束穿过前两种介质进入后一种介质时,就会发生隧道效应. 具体图示如图4,该图为四层介质组成的传输阵列, 第一层和第四层是由两种半绝缘介质组成,且两者折射率相等, 第二层是真空,第三层是由负折射介质组成, 该阵列非常成功地达到了辐射能量传输的增加. 通过采用传输矩阵方程可以很好的计算出LHM的折射率和厚度在直线和半球形传输方向上对辐射传输能量的影响量级. 图5是直线传输能量跟d3 / d2 的关系图( d3 是LHM的厚度, d2 是真空层的厚度) ,入射光(λ= d2 ) 以45°角射入. 该图主要体现了LHM的负折射率和厚度在光子隧道效应中对能量传输的影响. 图6主要研究的是四层结构的半球形传输模式跟d3 /λ的关系图, 其中T p rop , T evan 和T com 分别表示传输波、衰减波的传播以及这两种波的结合传播等. 当d3 =λ( = d2 ) ,并且n3 = - n2时,传播达成一致. 从该图可知:光子隧道效应的分布对于厚度和折射率的失谐非常敏感. 从Zhang等的系统分析中可以看出,负折射率材料可以用来制造高功效的微观能量转化装置.3. 3超透镜聚焦成像传统光学透镜已经有很久的历史,其局限性是没有哪50 咸宁学院学报第26卷© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 个透镜能够将光聚焦到一个比λ 2 还要小的范围内,所以,传统的光学透镜要受到光波长的限制. 自从负折射率材料出现以后,一些关于负折射率材料方面的应用也有所突破.如果利用该材料制作透镜,可以聚焦2D成像中的所有傅立叶成分以及那些不能在辐射方式中存在的传播,这样的透镜可以作为微波光束检测的常规技术. Pendry[ 14 ]从传统光学透镜的理论推导着手,模拟了负折射光学透镜的可能性原理. 他认为传统的光学透镜只适应于纵向波矢,而无法对横向波矢进行研究,因为,横向波矢的衰减太严重,而体现物质光学传输特性的传输波几乎都在横向波矢(衰减波)里面,要对这些传输波进行研究,就得找新型材料,负折射材料自然而然成为了大家关注的对象. Pendry[ 14 ]对负折射材料的传播特性进行了严格的因果推算,得到:负折射材料确实可以增强衰减波的振幅,修复衰减波的相位,因此这种具有传播和增强衰减波性能的材料可以提高成像分辨率. 如果用负折射材料制成超透镜,那么这样的透镜就有几个重要的优点: (1)由于没有光学轴,因此不需要精确的队列. (2)平行厚板代替曲线形状,其结构更简单. (3)当给定超透镜的结构和光束的波长后,超透镜的分辨率就透镜的表面周长和光束的波长限制了, a s /λ越小,分辨率越高.光子晶体具有负折射行为,也可以用来制作超透镜. 为了模拟出这样的超透镜, Guven等采用了有限差异时间领域的模拟技术( finie2difference time2domain,简称FDTD) [ 5 ] ,该技术与平行厚板光子晶体的边界条件非常匹配. 光子晶体平行厚板的厚度跟表面周长都选择发射最小的状态. 超透镜为我们研究负折射率材料的聚焦成像提供了依据,也为今后微波透镜的发展以及克服传统透镜内在的衍射极限限制开拓了道路.4展望负折射现象向人们展示了一个新奇的光学世界,它引起了人们对负折射现象研究的热潮[ 18～20 ]以及对现有理论和现象的重新审度. 越来越多的研究表明,负折射材料具有很多潜能,譬如制造超透镜、高效微观能量转换装置以及提供高分辨的光学分辨率和高功率光耦合等. 尽管对负折射现象的理论研究已经初具规模,但是,在日常生活中负折射材料却少之又少,目前还只是停留在光子晶体以及金属合成物上,而要广泛地制作这种材料,还需要进一步的努力.__5 潜在应用从左手材料表现出的新颖电磁特性,其潜在的应用研究也逐渐提上日程。
一种双频段左手材料的设计及在吸收器方面的应用的开题报告
一种双频段左手材料的设计及在吸收器方面的应用
的开题报告
标题：一种双频段左手材料的设计及在吸收器方面的应用
引言：
随着无线通信、雷达、天线等电子设备的广泛应用，对于高频电磁
波的吸收和降噪等需求也越来越高。
左手材料（Left-Handed Materials, LHM）由于其具有电磁参数均为负的特性，可以实现高效率的电磁波吸收和屏蔽，被广泛研究和应用。
双频段左手材料则具有实现多频段吸收的
功能，在实际应用中更为灵活。
本文针对双频段左手材料的设计及其在吸收器方面的应用展开研究，介绍了制备左手材料的方法和双频段设计的原理，并且讨论了该材料在
吸收器中的应用。
主要内容：
1. 左手材料的制备方法
介绍了传统的左手材料制备方法，主要采用复合型材料结构或纳米
结构材料。
然后引入了一种基于等离子体体材料的制备方法，该方法能
够制备出高性能的双频段左手材料。
2. 双频段左手材料的设计原理
介绍了双频段左手材料的工作原理和实现多频段吸收的原理，以及
其在天线、吸收器等领域的应用。
3. 双频段左手材料在吸收器方面的应用
探讨了双频段左手材料在吸收器中的应用，包括设计、制备和实验
测试等方面。
通过实验验证了双频段左手材料吸收器的高效率和多频段
吸收特性。
结论：
通过对双频段左手材料的制备方法、设计原理和吸收器方面的应用进行研究，我们得出了在吸收器方面应用双频段左手材料的结论，并在实验中得到了验证。
希望该研究能够推动左手材料在电磁波吸收和降噪等领域的应用。
左手材料器件的单位单元为LC电路
左手材料器件的单位单元为LC 电路介质电磁性质的介电常数ε和磁导率µ均为负时，该介质被称为左手材料。
实现介质的左手特性需要比电磁波波长还要细小的构成要素。
在目前所知道的左手材料中，ＬＣ电路经常作为基本的介质构成要素被采用。
该电路的静电容量Ｃ和电感Ｌ为正时，材料整体的ε和µ均为负。
ＬＣ电路又被称为单位元件，也就是说它的作用相当于普通介质中的原子和分子。
当ε和µ都为负时，Ｍａｘｗｅｌｌ方程式所显示的电磁波电场、磁场方向和波面的行进方向分别与人的左手大拇指、食指及中指相对应，也就是说它呈现的是左手性而非右手性（见图Ａ－３）。
左手材料是１９９９年英国伦敦图Ａ－３ 左手材料的概念电磁场的Ｍａｘｗｅｌｌ方程式中，当ε＞０、µ＞０时，电场Ｅ、磁场Ｈ以及波向量Ｋ的运动方向分别和右手拇指、食指和中指的方向一致。
反之，当ε＜０、µ＜０时，Ｅ、Ｈ、Ｋ的方向分别与左手的拇指、食指和中指一致。
所以ε＜０、µ＜０的介质被称为左手材料。
左手材料的信号速度Ｖｇ和Ｋ的方向相反。
图Ａ－４ 左手材料实例 早在１９６０年，业内就指出可能存在左手材料，但直到１９９９年才真正发现它。
左手材料的单位元件以周期性排列，尺寸比电磁波波长还要小。
最初发现的共振型介质，其单位元件呈周期排列，功能类似ＬＣ谐振器（ａ），当时只能用于微波。
２００４年和２００５年底，业内分别针对频率为１ＴＨｚ－１０ＴＨｚ的ＴＨｚ波以及光通信红外线（λ＝１．５µｍ，频率为２００ＴＨｚ），开发了左手材料，并计划应用于超级透镜。
但是这种共振型左手材料只能在特定的频率下才能发挥左手特性，而且功率损失也比较大。
２００２年，传输线路型（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅ）左手材料被发现，它呈周期排列的单位元件功能类似高通滤波器（ｂ）。
它与共振型相比，频带范围广且功率损耗小。
而且它的等效电路也已经确定，所以在应用设计方面较为容易。
左手材料制备的研究进展
1. 引言
1968 年前苏联物理学家 V.G.Veselago 在理论上研究了介电常数 和磁导率 严格 地说是它们的实部 均为负值的物质的电磁性质 首次提出了左手性物质的概念 并预言了 一些奇异的电磁性质 如光的负折射现象 逆多普勒效应 逆切连科夫效应以及负光压现象 等等[1] 尽管左手性物质有很多奇异的电磁性质,但自然界中并不存在这样的物质,又由于当
[2]
随后 左手材料受到了学术界的广泛
关注 人们试着从各个角度来制备左手材料 并研究其特殊的性质 左手材料得到了快速的 发展
2. 左手材料的制备方法
2.1 回旋物质中实现负折射率的理论研究
介电常数 播特性 和 和磁导率 是描述物质电磁性质的基本物理量 决定着电磁波在物质中的传 皆为二阶张量 在各向同性介质中 它们退化为标量 在绝大多数各向同性 和 的实部均取正值 有些自然介质 如金属和等离子体 对于频率低于 表现为负值 但在自然界中还没有发现磁导率为负的物质 介电常数或磁导率可取为如下张量形式
的自然介质中
其等离子频率的电磁波而言 其
V. G.Veselago[1] 提 出 在 回 旋 物 质 中
ε1 ε ik = − iε 2 0
iε 2
ε1 0
0 0 ε3
1
µ1 µ ik = − iµ 2 0
iµ 2
µ1 0
0 0 µ3
点 它具有广泛的应用前景 但目前仍停留在理论研究阶段 总之 随着人们对左手材料研 究的深入 以及其产生机制的进一步了解 相信在不久的将来符合实际应用的左手材料将会 被开发出来 参考文献
[1] V.G.Veselago. Soviet Physics uspekhi , 1968 , 10 : 509 514 [2] Shelby R A , Smith D R , Schultz S. Experimental verification of a negative index of refraction[J]. Science , 2001 , 292 : 77 79 [3] J.B.Pendry, A.J.Holden, W.J.Stewart, et al . Extremely low Frequency plasmons in metallic mesostructures [J]. Phys. Rev.Lett . , 1996 , 76 : 4773 4776 [4] J.B.Pendry, A.J.Holden, D.J.Robbins, et al. Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena[J]. IEEE Trans. Microwave Theory and Technology, 1999, 47 :2075 2084 [5] D.R.Smith, J.B.Pendry, M.C.K.Wiltshire. Metamaterials and negative refraction index[J]. science, 2004,305: 788 792 [6] M.Notomi. Theory of light propagation in strongly modulated photonic crystals: refractionlike behavior in the vicinity of the photonic band gap[J]. Phys. Rev. B, 2000, 62: 10696 10705 [7] Chiyan Luo, Steven G. Johnson, J.D.Joannopoulos, et al. All-angle negative refraction without negative effective index[J]. Phys. Rev. B, 2002, 65:201104-1 201104-4 [8] S.Foteinopoulou, E.N.Economou, C.M.Soukoulis. Refraction in Media with a Negative Refractive Index[J]. Phys. Rev. Lett, 2003, 90: 107402-1 107402-4 [9] E.Cubukcu, K.Aydin, E.Ozbay,et al. Subwavelength Resolution in a Two-Dimensional Photonic-Crystal-Based Superlens[J]. Phys. Rev. Lett., 2003, 91: 207401-1 207401-4 [10] Ertugrul Cubukcu, Koray Aydin, Ekmel Ozbay, et al. Negative refraction by photonic crystals[J]. nature, 2003, 423: 604 605 [11] P.V.Parimi, W.T.Lu, P.Vodo, et al. Negative Refraction and Left-Handed Electromagnetism in Microwave Photonic Crystals[J]. Phys.Rev.Lett., 2004, 92: 127401-1 127401-4 [12] Patanjali V.Parimi, Wentao T.Lu, Plarenta Vodo, et al. Imaging by flat lens using negative refraction[J]. nature,2003, 426: 404 [13] S. Foteinopoulou, C. M. Soukoulis. Negative refraction and left-handed behavior in two-dimensional photonic crystals[J]. Phys. Rev..B, 2003, 67: 235107-1 235107-5 5
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此时折射光线与入射光线位于 界面法线同侧，相当于折射角 为负值, 这种折射称为光线的负 折射。
左手材料与右手材料的 反射与折射
西北工业大学
3.左手材料的奇异电磁特性
—— 负群速度
§负群速度
● 常规介质
S EH
k与s总是同方向，相速度和 群速度方向一致。
● 左手材料
k与s方向相反，则相速度和群 速度方向相反。
左手材料与右手材料的 反射与折射
负群速度材料（negative group velocity）
西北工业大学
3.左手材料的奇异电磁特性
——逆Doppler效应
§逆Doppler 效应
（a） Doppler效应 （b）逆 Doppler效应 Doppler效应： 两者相向而行，观测者接收到的频率会升高，反之会降低。 逆Doppler效应： 左手材料中，因为能量传播的方向和相位传播的方向相反， 所以如果二者相向而行，观察者接收到的频率会降低，反之则会 升高。———逆Doppler频移
ⅠⅡ
Ⅲ
Smith结构左手材料样品及实验结果
西北工业大学
4. 左手材料的制备—微波波段
研究者们设计了各种各样形状的周期排列材料
（a）
（b）
（c）
（d）
（e）
(f)
(g)
(h)
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4. 左手材料的制备—红外、可见光波段
物理方法制备： 光刻蚀技术
西北工业大学
4. 左手材料的制备—红外、可见光波段
是一种介电常数和磁导率同时为负的人工复合结构材 料。（ 由前苏联理论物理学家 Veselago 1968年提出） 左手材料的发现被美国《Science》杂志评为2003年 度十大科技突破之一，2006年基于左手材料思想设计 的梯度超介质实现电磁波隐身又被美国《Science》杂 志评为年度十大科技突破之一。
负折射 效应
反常GoosHä nchen位移
完美透 镜效应
左手材料的奇异电磁特性
反常 Cherenkov 辐射 逆Doppler 效应
西北工业大学
3.左手材料的奇异电磁特性
—— 负折射效应
§负折射效应
n
●
2
常规介质( >0，ε >0)，n取为正根
n
●
左手材料( < 0 ，< 0)， n取为负根
西北工业大学
西北工业大学
3.左手材料的奇异电磁特性—完美透镜效应 §完美透镜效应
相对于普通透镜，左手材料平板透镜没有固定光轴，不 受傍轴条件限制，且成正立、等大实像。不仅能够捕获光场 的传播波成分，而且能够捕获倏逝波成分。左手材料平板透 镜被称为“完美透镜” 。
（ a）
（b）
不同成像方式示意图（a）透镜成像；（b）“完美透镜”成像
cos
c nv
Cherenkov 辐射示意图 （a）正常辐射；（b）反常辐射
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3.左手材料的奇异电磁特性—反常Goos-Hä nchen位移
§ 反常Goos-Hä nchen位移效应:
当光波在两种介质的分界面处发生全反射时， 反射光束在界面上相对于几何光学预言的位置有一 个很小的侧向位移，且该位移沿光波传播的方向， 称为Goos-Hä nchen位移
全国高校第十二届《电动力学》研讨会
左手材料的奇异电磁特性
西北工业大学应用物理系
罗春荣
2009-8-24
西北工业大学
主要内容
1. 引言 2.左手材料的概念与基本原理 3.左手材料的奇异电磁特性 4.左手材料的制备
5.左手材料应用展望
西北工业大学
. 引言
左手材料（Left-handed metamaterials， LHM）
（a） （b） Goos-Hä nchen位移（a）正常位移（b）反常位移
西北工业大学
3.左手材料的奇异电磁特性—反常Goos-Hä nchen位移
（a） （b） Goos-Hä nchen位移（a）正常位移（b）反常位移
若介质2为左手材料，则该位移沿光波传播反方向， 称为反常 Goos-Hä nchen位移。
西北工业大学
5.左手材料的应用展望
红外波段左手材料的实现可应用于生物安全成像、 生物分子指纹识别、遥感、可视度极低的天气条件 下的导航、微型谐振腔、可调谐透镜、隔离器等。 可见波段左手材料的实现能突破衍射极限的原理， 制备出高分辨率的微透镜，应用于光学高密度存贮 和微加工、超大规模集成电路的光刻技术、医学领 域诊断成像等。
西北工业大学
3.左手材料的奇异电磁特性—反常Cerenkov辐射
§反常 Cerenkov辐射
Cerenkov辐射：而当带电粒子在介质中匀速运动时会在其
周围引起诱导电流，从而在其路径上形成一系列次波源，分 别发出次波。当粒子速度超过介质中光速时，这些次波互相 干涉, 从而辐射出电磁场。称为Cerenkov辐射。
n
NIR）
负折射率介质（negative index of refraction
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3.左手材料的奇异电磁特性
—— 负折射效应
光线1由介质一入射到介质一与介质二交界面
●对于常规介质(介质一和介质
二都满足ε>0，μ>0) ，入射光 线和折射光线将分居界面法线 两侧，这种折射为正折射
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4.左手材料的制备
自然界不存在介电常数和磁导率同时为负的物质。 直到上世纪九十年代，Pendry提出周期性排列的 金属开口谐振环和金属线可以分别实现负磁导率μ、负 介电常数ε。
周期性排列的金属线和金属开口谐振环
西北工业大学
4. 左手材料的制备—微波波段
Smith等将SRRs与Wires按一定周期组合，测试 了其微波响应行为，首次实现了在同一块材料里磁 导率μ、介电常数ε同时为负的左手材料。并验证了 负折射的存在。
●正常材料中，干涉后形成的波前，即等相面是一个锥面。
电磁波能量沿此锥面的法线方向辐射出去，是向前辐射的,形 成一个向后的锥角。
●在左手材料中，能量的传播方向与相速度方向相反，辐
射将背向粒子的运动方向发出，辐射方向形成一个向前的锥 角。——反常Cerenkov辐射
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3.左手材料的奇异电磁特性—反常Cerenkov辐射
化学方法制备： 化学电沉积法
样品的扫描电镜照片
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5.左手材料的应用展望
左手材料的提出为电磁理论的发展开辟了新的研 究方向，具有重大的科学意义及巨大的应用前景，对 通信、雷达、微电子、医学成像等领域将产生重大的 影响。
左手材料的应用研究：主要用于微波电路、天线设计
●左手材料微波器件； ●左手材料在电磁波隐性中的应用； ●左手材料在天线中的应用。
0 0
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3.左手材料的奇异电磁特性
左手材料中传播的电磁波表现出一系列奇异 的电磁特性: ● 负折射效应、负群速度、 ● 反常Doppler效应、 ● 反常Cherenkov辐射、 ● 反常Goos-Hä nchen位移、 ● 完美透镜效应等。
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3.左手材料的奇异电磁特性
左手材料的研究是当前物理与电磁学研究领域中的 前沿与热点问题。
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2. 左手材料的概念与基本原理
E H B
0 0
k E Η
t D t
B μH
k H εE
D εE