左手材料
负折射率材料的特点及其应用
sin2 v2 11 n1
此式被称为Snell定律。
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理论分析
在Snell定律中，定义
n
22 11
rr
但是在一般条件下，有
n2rr,nrr
这个负号不能随意去掉，也就是说负折射 率不违背理论
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理论分析
从 μ<麦0时克，斯矢韦量方Ê程，组磁的感旋应度强公度式H来和看波，矢 当k遵循 右手规则；
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负折射率材料的反常规现象
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负折射率材料的反常规现象
逆Cerenkov辐射
•高速带电粒子在非真空的透明介质中穿行，当粒子速度大 于光在这种介质中的相速度时，就会激发电磁波。这种 现象就叫做Cerenkov辐射。
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负折射率材料的反常规现象
反常光压
• 光压就是射在物体上的光对物体所产生的压力。 • 一束入射的平面单色光波可以看作是光子流，其中每个光 子携带的动量p=hk。假设光束在介质表面发生全反射。
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负折射率定义
负折射率材料也称为左手材料（left handed medium），简写为LHM。指的 是介电常数ε、磁导率μ、折射率n同时为 负的介质。介质中电场、磁场和波矢三者 构成左手关系，波的折射不遵循斯涅尔 （Snell）定律。
.
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理论分析
AC、BE为波前，
A BCsiBn11t C ECsiBn22t
Goss-Hanchen位移是由于在低折射率区的倏逝波把入 射光束能量沿着反射界面传输引起的。位移的大小仅仅与 两种介质的相对折射率以及入射光束的方向有关。在两种 PIM介质的分界面上，能量将向右传输，横向位移向右； 但是，当光束由PIM入射到NIM中，且发生全反射，在 NIM中，能流方向与波矢方向相反，导致横向位移会向左。
左手材料天线
左手材料天线左手材料天线是一种新型的天线结构，它利用左手材料的特殊性质来实现对电磁波的辐射和接收。
左手材料是一种具有负折射率的材料，它具有一些非常奇特的电磁性质，例如负折射率、负抗性、负色散等。
利用这些特性，左手材料天线可以实现一些传统天线无法实现的功能，例如超宽带、宽角度辐射、多频段工作等。
因此，左手材料天线在通信、雷达、无线电等领域具有广阔的应用前景。
左手材料天线的工作原理是基于左手材料的负折射率特性。
在传统的天线设计中，通常使用正折射率的材料来实现对电磁波的辐射和接收。
而左手材料天线则采用具有负折射率的左手材料来实现对电磁波的控制。
当电磁波穿过左手材料时，由于其负折射率特性，电磁波的传播方向会发生反转，从而实现对电磁波的控制。
这种特性使得左手材料天线可以实现一些传统天线无法实现的功能，例如超宽带、宽角度辐射、多频段工作等。
左手材料天线具有许多优点。
首先，由于左手材料具有负折射率特性，可以实现对电磁波的精确控制，从而实现更高效的辐射和接收。
其次，左手材料天线可以实现超宽带、宽角度辐射、多频段工作等功能，具有更广泛的应用范围。
此外，左手材料天线的制作工艺相对简单，成本较低，适合大规模生产和应用。
在实际应用中，左手材料天线已经得到了广泛的研究和应用。
在通信领域，左手材料天线可以实现更高效的信号辐射和接收，提高通信质量和覆盖范围。
在雷达领域，左手材料天线可以实现更宽波束宽度和更高分辨率，提高雷达探测和跟踪性能。
在无线电领域，左手材料天线可以实现多频段工作，适应不同频率的信号传输和接收。
总之，左手材料天线是一种具有广阔应用前景的新型天线结构。
它利用左手材料的特殊性质，实现了对电磁波的精确控制，可以实现超宽带、宽角度辐射、多频段工作等功能，具有更高效的辐射和接收特性。
在通信、雷达、无线电等领域具有重要的应用价值，将为相关领域的发展带来新的机遇和挑战。
随着左手材料天线技术的不断进步和完善，相信它将在未来发挥越来越重要的作用。
左手材料
均为右手材料
材料手性相反
均为左手材料
右手材料 右手材料
θ1
右手材料 左手材料
θ2
θ1
左手材料 左手材料
θ1
|nlago Lens
衰减波（倏逝波） 折射率为虚数
1968年前苏联科学家预言了左手材料的存在
左 手 材 料 的 发 展
英国帝国理工学院Pendry从电磁场Maxwell方程和物质本构方程出发， 通过理论计算指出：间距在毫米级的金属西线构成的格子结构具有类 似等离子体的物理行为，在一定条件下出现负的介电常数。另外，利用 非磁性导电金属片构成开环共振器并组成方阵，可以实现负的磁导率。
对于无损耗、各向同性和均匀的自由空间，Maxwell方程组可表示为：
正弦时变电磁波 的波动方程 （Helmholtz） 以一定频率作正 弦振荡的波称为 时变电磁波（单 色波）
假设电磁波沿x轴方向传播，其场强在与x轴正交的平面上各点具有相同的 值，即E和B仅与x，t有关，而与y，z无关，这种电磁波称为平面电磁波，其 波阵面为与x轴正交的平面。方程演变为一维常微分方程。
如果ε ，μ 都为负数，此时K有实数解，电磁波能在其中传播。
？
此时
K,E,H不在满足右手螺旋关系，而满足左手 螺旋关系，这种介质被称为“左手材料” ” （left handed materials:LHM）。
电磁波能流方向即为群速度方向（坡印亭矢量S的方向）。
右手材料中，S和K（电磁波相位的方向）的方向总是相同，相速度 和群速度方向一致。
左手材料 双负材料 科普知识 ppt
②
负折射现象
当波通过两介质之间的界面时,如图所示。一边 的磁导率μ1 和电导率ε1 均大于 0,另 一边的磁导率 μ2 和电导率ε2 均小于 0。
设对 2 种媒介使用 Maxwell 方程都将被满足, 则有边界条件:
可见,E 和 H 沿法线分量 En2 和 Hn2 的正负号,在 ε2/ε1<0，μ2/μ1<0 时将和ε2/ε1>0， μ2/μ1>0 时 符号的相对,那么,和ε2/ε1>0，μ2/μ1>0 的情况相对， 在左手材料中折射光 线将关于 z 轴对称传播。
SRRs可以看作由电感和电容组成LC电路，当 SRRs减小到一定尺寸时，其电感L和电容C不再继 续减小，谐振频率趋近于某一定值。即采用金属微 结构理论上不能实现可见光波段磁响应。另外，损 耗也是限制可见光波段磁响应的原因。当结构单元 尺寸与趋肤深度可比较时，其电阻损耗和趋肤深度 问题变得更为突出。
双负材料的应用前景： ① 制作高分辨率的显微镜镜片。 传统的光学镜头不能将光线聚焦到小于光线 2004年2月，俄罗斯莫斯科理论和应用电磁 波长的尺寸。 学研究所的物理学家宣布他们研制成功一种具 左手材料制作的“超级透镜”： 有超级分辩率的镜片。 一方面，可实现平板聚焦，无需制成曲面； 同年，加拿大多伦多大学的科学家制造出 另一方面，可将光线聚焦到光线波长以下， 一种左手镜片。 甚至可以检测单个物质分子； 两国科学家的研究成果获得科学界的高度 赞赏，被美国物理学会评为2004年度国际物理 还能放大消逝波，将二维像点的所有傅立 学会最具影响的研究成果。 叶分量全部聚焦，实现“理想成像”；
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。 在2002年底，麻省理工学院孔金瓯教授也从理论 上证明了“左手”材料存在的合理性，他称之为“导 向介质”。 2003年美国ParazzoliCG等人及Houcl等人同时分 别进行了一系列成功的实验工作，样品实验的数 据和模拟计算非常吻合，都晰而显着地展示出负 折射现象；且在不同入射角下测量到的负折射率 是一致的，完全符合Snell定律，证实了左手材料 的存在。
左手材料
左手材料一、概念的提出左手材料就是介电常数ε<0、磁导率μ<0的材料，是一种人工制备的亚观材料，在自然界中不存在天然的这类材料. 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。
1996年Pendry提出了金属线周期结构，首次制备出这个亚观的左手材料。
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。
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。
2002年底，麻省理工学院孔金瓯教授也从理论上证明了“左手”材料存在的合理性，他称之为“导向介质”。
2003年美国Parazzoli C G等人及Houcl等人同时分别进行了一系列成功的实验工作，样品实验的数据与模拟计算非常吻合，都晰而显著地展示出负折射现象；且在不同入射角下测量到的负折射率是一致的，完全符合Snell定律，证实了左手材料的存在。
二、左手材料的性质材料与电磁波的相互作用主要体现在材料的介电常数ε和磁导率μ这两个物理参数上。
在第一象限中,ε>0,μ>0,自然界中的绝大部分材料均处于这一象限.有少部分材料在某些状态下会处于第二象限(ε<0,μ>0),如等离子体及位于特定频段的部分金属.当ε<0,μ>0时,折射率n= √ε√μ为虚数.这意味着在这种材料中电磁波只能是消逝波(evanescent waves),因电磁波只能在折射率为实数的材料中传播.处于第四象限中的材料,其ε>0,μ<0,因而折射率也为虚数.电磁波入射到处于第四象限中的材料的行为与入射到第二象限中的材料的行为相似。
左手材料负折射率材料
应用拓展
进一步拓展左手材料在通信、雷达、传感等领 域的应用。
跨学科合作
加强与物理学、化学、生物学等学科的合作，共同推进左手材料的研究与应用。
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左手材料负折射率材料
目 录
• 左手材料简介 • 负折射率材料的特性 • 左手材料与负折射率材料的关系 • 左手材料负折射率材料的研究现状与展望
01 左手材料简介
定义与特性
定义
左手材料是一种具有负折射率的人工 复合材料，其介电常数和磁导率同时 为负。
特性
具有负的折射率、负的切向波速、负 的切向波长等特殊性质。
在通信领域，负折射率材料有望 用于构建更高效的光子集成电路，
提高信息传输的速度和容量。
在成像领域，负折射率材料可以 用于制造超分辨率成像设备，提
高成像的清晰度和分辨率。
在传感领域，负折射率材料具有 高灵敏度和快速响应的特点，可 用于构建高精度的光学传感器。
03 左手材料与负折射率材料 的关系
左手材料的负折射率特性
02
负折射率的出现，打破了传统光 学理论中关于折射率的定义，为 光学研究带来了新的思路和可能 性。
负折射率材料的实现方式
通过特定结构设计，使得材料在特定 频率的光波下表现出负的折射率。
目前实现负折射率材料的方法主要有 两种：一种是采用周期性结构的设计 ，另一种是通过使用复合材料。
负折射率材料的应用前景
面临的挑战
稳定性问题
左手材料在外部环境变化下容易失去负折射率特性， 需要解决稳定性问题。
制备难度
目前左手材料的制备工艺较为复杂，需要进一步优化 制备方法。
损耗问题
左手材料存在较高的介质损耗，限制了其在某些领域 的应用。
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
【神奇的左手材料】左手材料
【神奇的左手材料】左手材料左手材料，相信对于大多数人来讲是一个陌生的名词。
左手材料，指的是介电常数（ε）和磁导率（μ）都是负数的材料（物质）。
介电常数和磁导率是用于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播特性。
在自然界中，所有物质的介电常数（ε）和磁导率（μ）都为正值。
左手材料这种新型材料的非常之处，是其具有一种逆变能力，能使主导着普通材料行为的许多物理特性产生逆变。
左手材料有时也被称为“异向介质”、“负折射系数材料”。
左手材料迄今尚未在自然界中发现，这种材料目前都是由人工制造的。
从1999年开始起到目前为止，左手材料还主要处于实验室研究阶段。
迄今为止，我们在自然界见到的都是右手材料，右手规则一直被认为是物质世界的常规。
但是，在左手材料中，电磁波的电场、磁场和波矢却构成左手关系，这就是这种材料被称为“左手材料”的原因。
另外，根据物理学普遍规律，在一般物质中，电磁波的传播方向和能量传播方向是一致的，但是在这种材料中，电磁波的传播方向将会发生奇特的变化，能量按正常方向传播时，电磁波却向相反的方向传播。
由于这种材料的介电常数和磁导率都是负数，折射率也是负的，根据电磁学理论，可以推断出它有很多奇异的特性。
手机辐射有望解决目前利用左手材料的性质，已经可以通过人造结构来控制电磁波传播方向，制成定向天线，可以使它只向基站方向发射信号，并通过相关技术阻止信号向人脑方向的传播。
但是目前这项研究仍处于实验室阶段，估计今后，将有可能用于解决备受关注的手机辐射问题。
手机辐射之所以可能对人体产生影响，是因为目前市场上应用的手机天线，都是全方向发射信号，向基站发射信号的同时也向人发射电磁波，对人的辐射无法避免。
而新型的左手材料，通过人造结构来控制电磁波传播方向，用它制成定向天线，可以智能寻找附近的电信信号发射基站，专向基站方向发射信号，并通过相关技术阻止信号向人脑方向的传播，可避免电磁波对手机使用者造成辐射。
左手材料
左手材料的性质及应用在自然界中，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。
在2002年底，麻省理工学院孔金瓯教授也从理论上证明了“左手”材料存在的合理性，他称之为“导向介质”。
2003年美国Parazzoli C G等人及Houcl等人同时分别进行了一系列成功的实验工作，样品实验的数据与模拟计算非常吻合，都晰而显著地展示出负折射现象；且在不同入射角下测量到的负折射率是一致的，完全符合Snell定律，证实了左手材料的存在二、左手材料的性质材料与电磁波的相互作用主要体现在材料的介电常数ε和磁导率μ这两个物理参数上。
左手材料(Left-Handed
自然界中物质的μ和ε一般都与电磁波频率有关，并且在 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、各向同性、空间均匀的介质，由 右手材料 左手材料 ( < 0, < 0) Maxwell方程组能推出 ( > 0, > 0)
光刻蚀技术(photolithography) 近场光学显微仪 (near-field optical microscopy) 可选波长的滤光器 (wavelength-tunable filter) 光学显示器 (optical displays)
Fig 5. (A) A negative index metamaterial formed by SRRs and wires deposited on opposite sides lithographically on standard circuit board. The height of the structure is 1 cm. (B) The power detected as a function of angle in a Snell’s law experiment performed on a Teflon sample (blue curve) and a negative index sample (red curve). Shelby R. ,Smith D.R. ,et al ,Science ,2001,292,77
折射光仍然满足Snell定律 n1 sin 1 n 2 sin 2
E1
H1
1
( 1 >0, 1 >0 )
v k k
H2
v S S
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。
左手材料在天线中的运用
左手材料在无线通信领域的应用前景
总结词
详细描述
左手材料在无线通信领域具有广泛的应用前 景，将为无线通信技术的发展带来革命性的 变革。
左手材料的特殊电磁特性使其在无线通信领 域具有广泛的应用价值，例如在提高无线通 信设备的灵敏度、信号传输速度和抗干扰能
力等方面，都将发挥重要作用。
左手材料在雷达系统中的应用前景
左手材料的特性
这种材料具有负的折射率，对电磁波的传播方向与电场和磁场的 方向都与常规右手材料相反。
左手材料的分类
根据左手材料的特性，可以将其分为活性左手材料和被动左手材料。
02
左手材料在天线设计中的优势
提高天线效率
左手材料的高电导率和磁导率可以减少电磁波在传播过程中的能量损失，提高电 磁波的传输效率，从而提高天线的效率。
• 制造方法：目前常用的制造方法包括真空蒸发沉积、纳米压印、化学气 相沉积等，但这些方法普遍存在效率低、成本高的问题。
• 尺寸控制：制造过程中对左手材料尺寸的控制也是一大挑战，尤其是对 于纳米级别的材料。
• 解决策略：研究者们正在开发新的制造工艺，以提高加工效率并降低成 本。例如，利用先进的纳米压印和化学气相沉积技术，可以更精确地控 制材料的尺寸和形状。此外，通过引入新型设备，也能提高生产效率。
通过利用左手材料的特殊性质，可以将电磁波聚集在特定 的方向上，提高天线的发射效率和接收灵敏度。
降低天线的雷达散射截面
左手材料可以改变电磁波的传播方向 ，使电磁波散射到各个方向，从而降 低天线的雷达散射截面。
VS
降低天线的雷达散射截面可以减少被 敌方雷达发现的可能性，提高天线的 隐蔽性和生存能力。
03
THANK S感谢观看
左手材料的特殊性质可以改变电磁波的相位和振幅，使天线更加高效地发射和接 收电磁波。
电磁超材料左手材料报告
左手材料是电磁超材料的一种特 殊类型，具有负的折射率和负的 磁导率，能够实现电磁波的逆寻
常折射和聚焦。
研究意义
探索电磁超材料的物理机制和 设计原理，为新型电磁器件和 系统的研发提供理论支持。
研究左手材料的特殊性质和应 用，推动相关领域的技术进步 和产业发展。
为解决电磁波干扰、隐身技术 等实际问题提供新的思路和方 法。
02 电磁超材料左手材料的基 本理论
左手材料的定义与特性
左手材料的定义
左手材料是一种具有负折射率、负磁导率和负阻抗率的人工 复合材料。
左手材料的特性
具有负的折射角、逆多普勒效应、逆切伦科夫辐射等特殊电 磁性质。
电磁超材料的原理与性质
电磁超材料的原理
通过在亚波长尺度上精心设计材料的 微观结构，实现对电磁波的异常响应 。
03
可以在更广泛的频段内实现各种异常物理效应。
03 电磁超材料左手材料的制 备方法
常见制备方法
微纳加工技术
通过光刻、
结构。
胶体自组装
利用分子间的相互作用 力，将不同功能的纳米 粒子自组装成左手材料
结构。
3D打印技术
通过3D打印技术，将左 手材料粉末逐层堆积成
实验和理论研究表明，电磁超材料左手材料在隐身技术、 天线设计、光子器件和量子技术等领域具有广阔的应用前 景。
研究展望
需要进一步研究电磁超材料左 手材料的物理机制和设计原理 ，以实现更高效、稳定和可控
的电磁性能。
需要探索电磁超材料左手材料 在不同环境和条件下的应用，
以拓展其应用领域和范围。
需要加强与其他领域的交叉合 作，如信息科学、物理学、化 学和生物学等，以促进电磁超 材料左手材料的创新和应用。
左手材料
如果电容率和磁导率同时为负值，那 么，E、H与K之间将满足左手关系。由 于这个原因，这种介质将成为左手材料， 又称为“双负介质”。
Z S" θ" O
θ θ'
ε2<0,μ2<0 ε1>0,μ1>0
K'
K负折射光路图Fra bibliotek2、理想透镜效应
相对于普通透镜，左手材料构成的透镜有许 多奇异的效应。特别是左手材料平板透镜 会出现类似于一般凸透镜的聚光效果，它 没有固定光轴，不受傍轴条件的限制，且 成正立、等大的实像。更重要的是这种平 板透镜不仅能够捕获光场的传播波成分， 而且能够捕获倏逝波（全反射情况下的表 面波）成分，光场的所有成分都无损失的 参与了成像，突破了衍射极限。从这个意 义上讲，左手平板镜为“完美透镜”。
虽然从坡印亭矢量(S=E×H)定义可知S 不显含μ ，E、H与S仍满足右手关系，但 是S与K反方向，这说明对于左手介质中 传播的平面波，其相速度和群速度方向 相反。
1、负折射现象
如下图所示，设下半空间为正常材料， 上半空间为“左手材料”，介质分界面在 xy平面，入射波、反射波和折射波均在xz 平面（即ky=ky'=ky"=0)。因为在左手材料 介质中，折射波既要满足S"与K"反方向， 又要满足kx=kx",所以折射波和入射波必须 出现在界面法线（沿z轴正方向）的同一侧， 这种现象被称为负折射现象。
ε<0 μ<0
理想透镜效应
左手材料
1. 2006年，Sehurig和Smith等展 示了这种“隐身斗篷”的雏形。 2. Landy和Padilla提出了一种新的 超材料设计思想，这种新的超材料 可以完全吸收辐射到其表面的电磁 波的电分量和磁分量．这种“完美 超材料吸收器”也可能为新一代抗 电磁干扰器件提供一种全新的思路 。
理论研究
1、用于天线 2、用于谐振装置 3、用于超薄雷达吸波
左手材料
左手材料构成的开放式谐振腔
基于Ω形结构的左手材料
磁响应频率在200THz开口谐振单环阵列
红外波段的左手材料
左手材料设计 左手材料按设计要求弯曲 电磁波或者入射光．或者左手 材料制造的兵器可能将光线或 雷达波反向散射出去，从而实 现隐形功能、抗电磁干扰功能
1968年．俄罗斯科学家V．G． Vesalago首次提出一种在某一频 段内介电常数与磁导率同时为负的 材料．并从Maxwell方程出发研究 了电磁波在这种介质中传播的状况 ，从理论上指出这种材料的存在是 不违反物理学定律
人工等效实现的实验研究
一．以D．R．Smຫໍສະໝຸດ th教授等人 提出的金属谐振结构为基础的结构 ．通过该结构形式的变化．可进行 左手频带范围扩展和降低损耗的研 究
目录
1.左手材料的定义、实现与应用 2.左手材料设计和制备研究进展 3.左手材料的研究动态与展望
左手材料的定义
“左手材料”是指一种介电常数和磁导 率同时为负值的材料。电磁波在其传播时， 波矢k、电场E和磁场H之间的关系符合左手 定律，因此称之为“左手材料”。它具有 负相速度、负折射率、理想成像、逆 Doppler频移、反常Cerenkov辐射等奇异的 物理性质。“左手材料”颠倒了物理学的 “右手规律”，而后者描述的是电场与磁 场之间的关系及其波动的方向。
左手材料简介幻灯片
氧玻璃纤维介质基板，介电常数4.65)上，使用集成
电路工艺（印刷版刻蚀技术）制造出左手材料条带.
条带上的铜层厚度为0.03mm,条带上的铜导线和
SRR粘印刷电路版材料的不同面上,并且在条带上开
出小槽.将这些左手材料条带沿小槽组装起来,即可
得到图二所示的二维左手材料。
7
左手材料结构单元
8
一维左手材料和二维左手材料
SRRs的材质为铜，厚度为3μm，其基板为 400μm微米厚的石英。
10
THz磁响应样品示意图
11
100THz单谐振环磁响应样品
12
2.3光子晶体实现左手材料
理论研究表明银纳米线光子晶体可实现近红外波 段的负折射效应，Berrier利用化学辅助离子束刻 蚀技术在低折射率的InP基底中打出了半径125nm， 晶格常数为480nm的空气柱光子晶体，首次实现 了光子晶体红外波段（1480nm）的负折射平板聚 焦。
27ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
四、左手材料的应用
1、微波段左手材料在无线通讯领域将有很大的应用前景。
可用作延迟线、耦合器、天线收发转换开关、固态天线、滤波器、光导航、 微波聚焦器等。
微波左手材料还可广泛应用于微波器件。如微波平板聚焦透镜、带通滤波 器、调制器、卫星反向天线、基于传输线左手材料的前向波方向耦合器、 宽带相移器等。
如果媒质的介电常数和磁导率均为负数的话(左手材料),媒质因 具有负折射率而会表现出很多奇特的性质,如反多普勒效应、反 Snell定律、反切伦柯夫辐射。
1996年，Pendry等首次制备出这个亚观的左手材料。
1
宏观理解左、右手材料
2
2、理论分析
在第一象限中,ε>0,μ>0,自然界中的绝大部 分材料均处于这一象限.
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期末文献综述
题目：左手材料的研究设计与未来展望
左手材料的研究设计与未来展望
姓名：喜宏智班级：F1541301 学号：515413910019 前言：
二战时期，真正具有隐身性能的德·哈维兰的蚊式战机开始投入使用，它所采用的覆盖张性复合材料的胶合木质结构对于二战中的雷达系统的隐形作用是相当成功的。
同时也开启了科学家利用飞行器表面材料设计来实现隐身设计的新思路。
进入20世纪60年代，随着无线电技术和雷达探测技术的迅速发展，电子和通信设备向着灵敏、密集、高频以及多样化的方向发展，为消除或降低雷达所能侦查的电磁泄漏信号，科学家开始着力于研究基于超材料的吸波体设计，开始出现例如洛克希德公司的F -117A 隐形战斗机和诺斯罗普公司的 B- 2A 隐形轰炸机等隐形战斗机。
1999年，Pendry提出用连续金属线和开口谐振环组成的周期结构实现介电常
数和磁导率均为负值的左手材料[1]
，由左手材料衍生而来的超材料在透波和吸波
领域具有宽广的应用前景，引发了左手材料研究的热潮。
一、左手材料的研究进展及现状分析
左手材料是指在电磁波某些频段介电常数和磁导率同时为负的新材料。
根据其实现原理，周期结构左手材料大致分为三类：第一类为基于金属线（或电谐振器）和磁谐振器的左手材料；第二类为垂直入射左手材料，这类材料一般在基板两侧具有相同的金属性质，通过基板两侧金属结构的耦合实现负磁导率，基板同侧相邻结构金属结构之间的耦合实现负介电常数；第三类为基于电介质材料的左手材料，将具有高介电常数的电介质结构单元嵌入具有低介电常数的基质中，实现负的介电常数和磁导率。
左手材料已经成为国际学术界的研究热点，近几年，国际上在左手材料制备，
理论模拟计算以及电磁波在左手材料中的传输特性等方面进行了大量研究，主要包括左手材料的理论研究，左手材料的物理机制设计与实现研究，左手材料的实验测试技术研究和左手材料的应用研究。
二、左手材料的研究方法
1、等效介质理论和等效参数
等效介质理论最早由Smith小组提出，通过仿真或实验得到的散射参数可以提取左手材料的等效介电常数和磁导率。
平面波垂直入射到厚度为d的左手材料
上，散射参数（S参数)与左手材料的折射率n，阻抗z [2-3]
的关系为：
S
11=S
22`
=i/2*（1/z-z）sin（n*k
*d)
S
21=S
12
=1/ (cos(n*k
*d)-i/2(z+1/z)*sin(n*k
*d) )
化简得ξ=n/z μ=n*z
2.多层相移差
[4]
由于电磁波在左手材料的想速度为负，所以在通过左手材料后的相位移为
负值。
设两参考面P与Q之间散射参数S
21
的相位变化为
Δφ=φ
Q -φ
P
=k
m
d
为排除界面干扰，分析层数分别为m+1和m的左手材料的相位变化量的差为
Δφ
m m+1 =φ
m+1
-φ
m
=k
m
d≤0
在不提取等效参数的情况下，得到左手材料的等效折射率为
n≈Δφm m+1 /k0d
2、劈尖样品仿真和实验
劈尖样品仿真和实验是左手材料研究经常使用的验证左手材料的方法。
劈尖样品仿真主要跟踪劈尖内的场分布，通过场分布来确认是否存在负折射率现象。
劈尖样品实验一般通过测量劈尖各个方位角透射出的电磁波强度来确定是否发生负折射。
在劈尖样品的实验和仿真中，负折射率为判断材料是否是左手材料的标准。
三、左手材料未来研究的前景劈尖样品仿真和实验
1.三维各向同性左手材料研究
（1）研究前景：目前已有的左手材料大部分为一维或二维的，这种材料需要入射的电磁波以特定的一种或者几种极化方向入射，这种极化相关特性大大限制了左手材料的应用。
而三维各向同性左手材料的左手特性与入射电磁波的入射方向和极化方向无关，有很大的应用前景。
（2）研究难题：基于三维SRR/金属线阵列的三维各向同性的左手材料要求金属线在三个方向上交叉，难以实现。
基于三维左手材料金属结构单元和电介质结构单元的三维各向性左手材料一般通过双谐振实现，导致频带窄，损耗高。
2.可调左手材料研究
（1）研究前景：目前左手材料的研究主要集中在低损耗，宽频带的材料设计，但在实际应用中要求频带可以调节，这就需要频带可以到更高频段或更低频段，这种可调节的材料为可调左手材料。
（2）研究难题：现在实现可调节的方法为通过改变基板的介电常数或磁导率来实现频带的可调性，这些都是基于金属结构的平行入射左手材料上实现的，但目前对于对1垂直入射左手材料和全介质左手材料的可调性研究较少，缺乏基础的理论支持。
四、左手材料的未来应用-----隐身新技术
目前各国飞行器的隐身技术，主要是包括：1.各种吸波，透波材料，实现对雷达的隐身；2.采用红外遮挡与衰减装置，涂敷红外掩饰材料等，降低红外辐射强度，实现对红外探测器的隐身。
伴随着左手材料等超材料的研究，人们开始把更多的精力投入到利用超材料实现隐身的研究中。
[5]
1.隐身的原理
通过在物体表面覆盖一层具有特殊设计的，具有一定介电常数和磁导率的材料，使入射光或电磁波将被扭曲，并绕过包覆层，实现隐身。
在进行空间扭曲的过程中，以自由空间作为变换的起点，要达到实际需求，不仅要求折射率有一定的比例关系，还要要求阻抗始终保持一致，这就需要同时改变介电常数和电导率。
通过坐标变换，重写麦克斯韦方程组，就把坐标变幻的
那一项和介电常数，磁导率组合在一起，组成新的电磁参数，实现隐身性能的理论设计。
2.隐身研究面临的挑战
2009年4月，加州大学伯克利分校的张翔教授和他的团队，首次实现了隐身材料在接近可见光的近红外波段工作，他们在硅材料上钻了很多纳米级小孔，将值得的“隐身斗篷”覆盖在上面，可使其背面物体不对光有任何反射。
但是这种方法只能在“微波领域”隐身，它还不能避开可见光，因此彻底实现超材料的隐身性能，还需要投入更多的研究。
五、总结
左手材料不同凡响的特性使得它越来越受到科学家的关注，它也被认为是用来制造更小的移动通讯设备和容量更大的储存设备的最佳材料。
在未来通信发展中具有重要作用。
但是受制于材料制造技术的发展，对于一些电磁规律认识不足等因素，左手材料的发展缓慢。
未来其发展趋势为利用横向磁化的铁氧基磁性材料在一定范围内实现负的磁导率，采用LDS技术制造金属导图案，使之更加绿色环保，同时可以引进3D打印技术，让3D构型的介电单元填充到基材中，实现左手器件的低频化，宽带化。
参考文献
[1] Pendry J B，Holden A J , Robbins D J , et al . Magnetism from conductors and
enhanced online phenomena [J ]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,1999,47:2075-2084
[2] Ma H , Au S B , Xu ,Z ,et al Approximation approach of designing approximate
cloaks with arbitrary shape [J]. Optics Express。
2008，16:15449-15454.
.[3]Donzeli G, Vallechi A ,Capolino F,et al .Metamaterial made of paired planar conductors:Particle resonances ,phenomena and properties [J].Applied Physics Letter,2005,86:124102
[4]裴志斌，顾超，屈绍波等，自由空间法测量超材料电磁参数.[J] .空军工程大
学学报：自然科学版，2008，10：86-10.
[5] Leonhardt U. Optical conformal mapping [J]，science ，2006,312:1777-1780.。