左手材料的反射特性与负折射率行为
左手系中的光学现象--负折射及其应用-精选文档
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Diffractive Optics & Computing Physics Lab
University of Science & Technology of China
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University of Science & Technology of China
负折射率的预言
麦克斯韦方程的微分形 D 0， B 0 ， E B t ， H j0 D t 。 各向同性介质的电磁性 质方程 D 0 E , B 0 H , j0 E . 无源各向同性介质中， 有 E 0， H 0， E 0 H t ， H 0 E t 。
内容提纲 • 负折射率的预言 • 负折射率材料的实现 • 负折射率材料的特性
反常Cherenkov辐射、反常Doppler效应、反GoosHanchen位移、负光压、超级透镜
• 负折射率材料的应用 • 光子晶体中的负折射（提及）
Diffractive Optics & Computing Physics Lab
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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 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。
微波左手材料的反射率和相位随频率的变化特性_图文
第50卷第6期 2005年3月论文微波左手材料的反射率和相位随频率的变化特性赵乾赵晓鹏*康雷郑晴(西北工业大学电流变技术研究所, 西安 710072.* 联系人, E-mail:xpzhao@摘要利用矩形波导法首次由实验研究了微波垂直入射到由铜六边形开口谐振环(split ring resonators, SRRs和铜杆组成的左手材料(left-handed metamaterials, LHMs 样品表面时, 其反射率和反射相位随频率的变化特性. 实验结果表明: 单层SRRs的LHMs样品在左手频段内出现了一个深度为−3.3 dB的反射峰, 即其反射率为47%. 在左手频段内, 反射波相位随微波频率的变化关系与透射波相位变化不同,而且反射波相位曲线在反射峰频率处出现一个拐点. 对于三层SRRs的LHMs 样品, 其反射峰的深度随样品排数的增加而增加, 即不反射能力增强, 且反射峰与左手透射峰有一个相对频移, 认为不同层间SRRs的相互作用是导致其频移的原因.关键词左手材料反射相位“左手材料”(left-handed metamaterials, LHMs是一种介电常数ε 和磁导率µ同时为负的人工周期结构材料, 由于其中传播的电磁场分量E, B与波矢K满足“左手定则”而得名[1]. 即其群速度与相速度方向相反, 从而呈现出许多反常的物理光学现象, 如负折射效应[2]、反常Doppler效应[3]和完美透镜效应[4]等.目前, 有关LHMs的研究主要集中在负磁导率材料、负介电材料以及LHMs等奇异透射行为方面. 如Pendry研究了周期性排列的金属开口谐振环(split ring resonators, SRRs的电磁响应行为, 发现其行为与磁性材料相似, 尤其是其磁导率在谐振频率附近某一频率范围内为负[5]. Smith将金属开口谐振环和金属杆排列成周期结构, 第一次实验证实了左手材料负折射的存在[6]. 我们研究组设计了六边形SRRs 并实验研究了由其周期性排列形成的负磁导率材料和左手材料中的缺陷效应, 得到了一些有意义的结果[7~9]. 电磁波在介质分界面处的反射现象是电磁波与物质相互作用的一个基本的问题, 不仅具有理论意义而且具有非常重要的应用价值. 光子晶体在某些特定频段对电磁波具有反射作用, 该反射行为的选择性具有广泛的应用前景, 如微带天线、滤波器和Bragg反射器等[10]. LHMs作为一种特殊的周期性结构材料, 其反射行为的研究必将拓宽LHMs的应用范围. Ruppin理论研究了包含LHMs的Bragg反射器的反射行为, 发现左手频段内Bragg反射峰窄而且强度小, 左手频段外出现了宽的Bragg反射峰[11]. 就我们所知, LHMs反射行为的实验研究尚未见到报道. 本文采用电路板刻蚀技术制备了一系列LHMs样品, 利用矩形波导法实验研究了微波正入射时LHMs的反射率、反射相位等随频率的变化关系.1样品制备及测试采用电路板刻蚀技术在0.5 mm厚的环氧酚醛玻璃纤维板上制备了一系列铜六边形SRRs和铜杆, 其厚度均为0.02 mm. 六边形SRRs可由内外环的内切圆直径d1, d2, 线宽c和开口间距g等参数描述. 实验所制备的SRRs的参数为: d1=1.0 mm,d2=2.2 mm, c =0.3 mm, g=0.3 mm. 铜杆的长度为9.9 mm, 线宽为0.5 mm. SRRs和铜杆一一对应且分别位于纤维板上两侧, 以其为结构单元周期排列制得LHMs(如图1所示. 本文制备了两种不同结构的LHMs样品. LHMs样品Ⅰ: x方向上SRRs为一层; LHMs样品Ⅱ: x 方向上SRRs为三层. 改变y方向上SRRs的排数制得不同排数的LHMs样品Ⅱ.利用微波一体化矢量网络分析仪(AV3618测量样品的S参数, 其信号发生器的频率为50 MHz~20 GHz. 由于所设计样品的谐振行为主要发生在微波X 波段(8~12 GHz, 因而选择横截面为22.86 mm×10.16 mm的矩形波导. 测量前先采用全双端口校准, 将不包含铜SRRs和铜杆但与样品结构相同的纤维板标准样品放入波导中对系统两个端口进行全反射、小反射负载和直通校准. 将LHMs样品沿波的传播方向z置于波导中, 其中传播的微波为TE10波, 微波磁场矢量与y方向平行, 即垂直于SRR所在平面, 电场矢量与x方向平行, 即与铜杆平行.论文第50卷第6期 2005年3月图1 LHMs样品结构示意图2结果与讨论2.1 LHMs样品Ⅰ的反射特性LHMs样品Ⅰ沿x方向SRRs层数为1, 沿y和z方向的排数分别为3和8. 其结构参数分别为L y=7.0mm和L z=7.0 mm. 将样品Ⅰ置于端口1的波导中, 并在波导末端接上匹配小反射负载, 测量其微波反射率和反射相位随频率的变化关系. 图2为LHMs样品Ⅰ的微波反射参数S11随频率的变化关系图.由图2可见, 当微波频率由9000 MHz变化到11500 MHz时, LHMs样品Ⅰ的反射谱在10420MHz 处出现了峰深为−3.3 dB的反射峰, 约有47%的能量由样品反射了回来, 其它频段的反射很强, 接近于全反射. 由透射谱可见, LHMs样品Ⅰ在9940~10820 MHz频率范围内出现了一个左手透射峰, 该透射峰图2 LHMs样品Ⅰ的微波反射谱位于周期性排列SRRs和金属杆的禁带交叠处, 此时材料的介电常数和磁导率同时小于零, 左手透射峰所对应的频段称为左手频段. 由反射谱可见LHMs样品Ⅰ的反射峰位于左手频段内. 在左手频段内, 左手材料具有较大的透射率和吸收率[12], 导致其反射率减小, 因而反射谱在左手频段内出现了一个反射峰. 图3为LHMs样品Ⅰ的微波反射相位随频率的变化关系图.由图3可见, 在左手频段内, 左手材料的反射波相位随微波频率的增加而增加, 即反射波相位曲线的斜率为正, 而左手材料透射波相位却随微波频率的增加而减小, 即透射波相位曲线的斜率为负. 同时反射波相位曲线在反射峰所对应的频率10400 MHz 处出现一个拐点, 因而由微波反射相位的拐点可间接确定反射峰的位置.图3 LHMs样品Ⅰ的微波反射相位曲线第50卷第6期 2005年3月论文2.2 LHMs 样品Ⅱ的反射特性为了深入研究LHMs 的反射行为, 制备了x 方向上SRRs 层数为3的LHMs 样品Ⅱ, 调节y 方向上结构单元的排数分别为1, 2和3制得不同排数的LHMs 样品Ⅱ. 其结构参数分别为L x =3.3 mm, L y =7.0 mm 和L z =5.0 mm. 将LHMs 样品Ⅱ置于端口1的波导中, 并在波导末端接上匹配小反射负载, 测量微波的反射率和反射相位随频率的变化关系.图4为1排LHMs 样品Ⅱ的微波反射率随频率的变化关系图.图4 排数为1的LHMs 样品Ⅱ的反射谱由图4可见, 当微波频率由9000 MHz 变化到11000 MHz 时, 反射谱在频率10580 MHz 处出现了峰深为−1.7dB 的反射峰, 其反射率为67%. 由透射谱可见, 1排LHMs 样品Ⅱ的左手透射峰位于9500~ 10100 MHz 频率范围内, 因而其反射峰相对于左手透射峰发生了约1000 MHz 的频移. LHMs 样品Ⅱ与样品Ⅰ相比, 其x 方向上的SRRs 层数由1增加到3, 因而SRRs 不仅与层内最近邻和次近邻SRRs 发生相互作用, 而且还受到层间和斜对角SRRs 的作用, 我们认为该相互作用是引起反射峰相对左手透射峰发生频移的原因.图5和图6分别为2排和3排LHMs 样品Ⅱ的微波反射率随频率的变化关系图.由图可见, 2排和3排LHMs 样品Ⅱ分别在10500 MHz 和10520 MHz 处出现了峰深为−2.8 dB 和−5.8 dB 的反射峰. 它们的反射峰亦与其左手透射峰发生了频移.比较图4~6可见, 当LHMs 样品Ⅱ的排数由1增加到3时, 左手透射峰向低频移动, 透射峰强度增加, 峰宽变宽. 周期性排列的SRRs 的谐振频率随几何图5 排数为2的LHMs 样品Ⅱ的反射谱图6 排数为3的LHMs 样品Ⅱ的反射谱参数的变化关系为[5]:220033πln(2/lc r c d ω=,其中, l 为排间间距, c 0为真空中的光速, r 为内环的半径, c 为环的线宽, d 为内外环间距即径向间距. 由该式可见, 当r , c 和d 等参数固定时, 谐振频率随排间间距l 增加而增加. LHMs 样品Ⅱ排数的增加等价于其排间间距l 减小, 因而其左手透射峰向低频移动. 随着排数的增加, 其反射峰由−1.7 dB, −2.75 dB 变化为−5.8 dB, 逐渐变深, 表明其反射率随排数的增加而变小, 即不反射能力增强. 结构单元数增加, 左手效应增强使得左手透射峰增强, 透射率增加, 吸收增加因而该频段内的反射减小. 光子晶体在其光子禁带内为全反射而LHMs 在其左手频段内具有反射率较小的反射峰, 其他频段接近全反射. LHMs 样品Ⅱ的反射相位随频率的变化与LHMs 样品Ⅰ类似, 这里不再给出.2.3 周期排列杆的反射特性理论研究表明, LHMs 与SRRs 的透射和反射行论文第50卷第6期 2005年3月为截然不同[12]. LHMs 在左手频段内的反射较大而SRRs 的反射却相对较弱, 其主要区别在于有无负介电常数材料的存在. 因而我们研究了周期性排列金属杆形成的负介电材料的微波反射行为. 结构参数分别为L y =7.0 mm 和L z =5.0 mm 的三排铜杆的反射率随频率的变化关系如图7所示.图7 负介电材料的微波反射谱由图可见, 在9200~12000 MHz 频段内, 金属杆的反射很大约为−0.6 dB, 而透射极小约为−75 dB, 该频段内其介电常数小于零. 在8500~9200 MHz 频段内, 由于透射随频率的增加而减小, 导致其反射率随频率的增加而增加. 周期排列金属杆结构材料的电磁波响应行为与等离子体相似, 存在一个等离子体谐振频率ωp , 当频率ω<ωp 时, 电磁波全部被反射而没有能量透过, 因而LHMs 具有大的反射率.3 结论本文设计并利用电路板刻蚀技术制备了由铜六边形SRRs 和铜杆周期性排列而形成的左手材料. 利用矩形波导法实验研究了当微波垂直入射到样品表面时, 其反射率和反射相位随频率的变化特性. 得出了以下结论: 单层SRRs 的LHMs 样品的反射峰出现在左手频段内, 其峰深为−3.3 dB, 即反射率约为47%, 其它频段反射率接近于100%. 在左手频段内, 反射波相位随微波频率的变化关系不同于透射波相位, 而是随微波频率的增加而增加, 且反射波相位曲线在反射峰频率处出现一个拐点. 对于三层SRRs 的LHMs 样品, 其反射峰的深度随样品排数的增加而增加, 即不反射能力增强, 且反射峰与左手透射峰有一个相对频移, 我们认为不同层间SRRs 的相互作用是导致其频移的原因. LHMs 反射行为的研究对于拓宽其应用领域具有一定的指导意义.致谢本工作为国家杰出青年科学基金(批准号: 50025207、国家自然科学基金(批准号: 50272054和国家重点基础研究发展计划(973计划(批准号: 2004CB719800资助项目.参考文献1Veselago V G. The electrodynamics of substances with simultane-ously negative values of permittivity and permeability. Sov Phys Usp, 1968, 10 (4: 509~514 2Houck A A, Brock J B, Chuang I L. Experimental observation of a left-handed material that obeys Snell’s law. Phys Rev Lett, 2003, 90 (13: 137401~1 3Seddon N, Bearpark T. Observation of the Inverse Doppler effect. Science, 2003, 302 (5650: 1537~1540.4 Pendry J B. Negative refraction makes a perfect lens. Phys RevLett, 2000, 85(18: 3966~3969 5Pendry J B, Holden A J, Robbins D J, et al. Magnetism from con-ductors and enhanced nonlinear phenomena. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1999, 47: 2075~20846 Shelby R, Smith D R, Schultz S. Experimental verification of anegative index of refraction. Science, 2001, 292(5514: 77~79 7Zhang F L, Zhao Q, Liu Y H, et al. The behavior of hexagon split ring resonators and left-handed metamaterials. Chin Phys Lett, 2004, 21(7: 1330~1332 8 赵乾, 赵晓鹏, 康雷, 等. 一维负磁导率材料中的缺陷效应. 物理学报, 2004, 53(7: 2206~22119 康雷, 赵乾, 赵晓鹏. 二维负磁导率材料中的缺陷效应. 物理学报, 2004, 53(10: 3379~338310Brown E R, Parker C D, Yablonovitch E. Radiation properties of a planar antenna on a photonic-crystal substrate. J Opt Soc Am B, 1993, 10(2:404~40711 Ruppin R. Bragg reflectors containing left-handed materials. Mi-crowave and Optical Technology Letters, 2003, 38(60: 494~495 12 Markos P, Soukoulis C M. Transmission studies of left-handedmaterials. Phys Rev B, 2001, 65(3: 033401(2004-09-15收稿, 2005-01-27收修改稿。
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
功能材料(负折射率材料)
负折射率材料实验中发现，在某种材料中，光线的折射与正常折射不同，正常折射时，光线会位于法线的不同侧，在这种材料中，光折射时，光线位于法线的同侧，因此称之为负折射现象，这种材料叫做负折射率材料。
在负折射率材料中，电场、磁场和波矢方向符合“左手法则”，而不是常规材料中的右手定则，所以具有负折射率的材料也被称为左手材料。
光波在其中传播时，能流方向和波矢方向相反，用同时具备负介电常数和负磁导率的超材料可以得到这一现象，此时超材料具有负折射率，这样的材料也被叫做负折射率材料。
光波是一种电磁波，在传播过程中，电场、磁场和波矢方向遵守右手定则)//(k H E ⨯。
光发生正常折射时，遵守折射定律)sin sin (2211i n i n =，入射光线和折射光线在法线的不同侧，同时遵守费马原理——光程沿平稳值的路径而传播。
但是当光波从具有正折射率的材料入射到具有负折射率材料时，介电常数和磁导率都为负)0,0(<<με，折射率n 取负值)0(<-=εμn ，电场、磁场和波矢符合左手定则，能流方向和波矢方向相反)(⨯=。
自然电磁材料以原子或分子构成，光学和电磁性质通过化学来改变，介电常数和磁导率既定且取值有限。
而超材料一般认为是具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料，通过单胞的几何排列，设计出不同的结构单元，原则上能够实现几乎任意的电磁参数，比如负值。
在晶体学中，原胞是最小重复单元具有一个格点，格点上的原子是一个或者两个或者两个以上，单胞是原胞的整数倍，可以通过改变单胞的形状、大小和构型，使单胞达到几十或者几百个原子的量级，甚至更高，从而改变材料的电磁参数，由此控制电磁波的传输。
调控电磁参数可以使材料的折射率为负值，使得这种超材料成为负折射率材料。
目前扫描隧道显微镜（STM ）可以观察和定位单个原子，此外，扫描隧道显微镜在低温下（4K ）可以利用探针尖端精确操纵原子，所以可以利用扫描隧道显微镜改变单胞的几何结构，得以实现具有负折射率的超材料。
左手系中的光学现象-负折射及其应用
光学通信
通信容量提升
负折射率材料可以改变光的传播路径，实现更复杂的光束操控，从而增加通信 信道的数量，提高通信容量。
通信安全性增强
利用负折射率材料构建的光学系统可以实现加密和解密的光学通信，提高通信 安全性。
光学传感
生物传感
利用负折射率材料可以构建高灵敏度的生物光学传感器，用于检测生物分子和细 胞。
调整入射角和折射角，观 察两束光线的路径变化。
实验结果
在左手系材料中，入射角 大于折射角，而在普通材 料中则相反。
负折射现象的物理机制
电磁波在左手系材料中的传播特性
01
由于左手系材料的特殊电磁性质，电磁波在其中的传播方向与
右手系材料相反。
光的波动性
02
光作为电磁波的一种形式，其传播受到介质的影响。在左手系
突破传统光学限制
左手系光学具有独特的物理特性， 有望在解决传统光学面临的限制 和挑战方面取得突破，例如实现 更高效的能量传输和信息处理。
促进交叉学科发展
左手系光学涉及物理学、材料科 学、信息科学等多个学科领域， 有望促进这些学科的交叉融合，
推动相关领域的发展。
左手系光学面临的挑战
实验验证难度大
由于左手系光学材料和结构较为稀有和复杂，实验验证相关理论 和预测的难度较大，需要克服技术和资源上的挑战。
当光线在左手系材料中传 播时，入射角大于折射角 的现象。
左手系材料
具有负的折射率，即电场、 磁场和波矢方向满足左手 定则的材料。
折射率
光在介质中传播的速度与 真空中的速度之比。
负折射现象的实验验证
实验装置
使用激光器和分束器将一 束激光分为两束，分别照 射在左手系材料和普通材 料上，观察折射现象。
电磁波在左手材料中的传播
·226·一、左手材料的来源众所周知，介电常数和渗透率是电磁研究中两个最重要的物理参数，而电磁波在物质中的传播特性也是由它们决定的。
在自然界中，介电常数和电导率都大于零。
当电磁波在介质中传播时，电场矢量E 、磁场矢量H 和波矢量k 三者之间遵循的是右手螺旋定则，这是传统的材料，称它为右手材料。
然而介电常数有时也会出现负值。
接下来，将给出详细的分析。
大多数自然界存在材料都处于第一象限(0,0>>µε)。
但是在第二象限(0,0><µε)中也有个别的材料，如等离子体及位于特定频段的部分金属。
在第二象限，因为0,0><µε，所以折射率µε=n 为虚数是虚数。
由于电磁波只能在实数折射率的材料中传播，所以说电磁波在这种材料中传播时只能是消逝波,在第四象限中0,0<>µε，所以折射率同样是个虚数。
电磁波在第四象限的性质和第二象限的材料性质类似。
在第三象限中0,0<<µε，因此折射率是实数。
但是它与电磁波在第一象限中材料的传播性质完全不同。
在第三象限中，电磁波的能流密度和波矢量是反平行的，也就是说电磁波的群速度和相速度是反平行的。
在0,0<<µε的材料中，麦克斯韦方程组仍然允许电磁波传播，但要求材料的折射率n 必须为复数。
左手材料是一种负介电常数和磁导率的新型人工合成材料，其折射率为负，因此具有不同于右手材料的独特性能。
平面电磁波，也可以在负介电常数和负磁导率的材料中传播，电磁波此时的电场矢量E 、磁场矢量H 和波矢量k 之间遵循左手螺旋定则，这种材料称它为左手材料。
其实自然界中并没有这种材料。
因此，有关左右材料的研究很少。
直到1968年，前苏联科学家V.G.Veselago 通过计算，预测介质介电常数和磁导率都取负值时，电磁波的传播将表现出不同寻常的物理性质。
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。
左手材料负折射率材料
v
k
kr
S
kr
k
kz
v
k kr
左手材料中
(b)
S 光源
左左手手介質材中料中
S 光源
反射体
2k k
反射体體
2k k
Fig 4. 一般介质与左手材料中的比较：(a) Cerenkov效应；(b) 光压
左手材料的研究与进展
1968年Veselago对电磁波在介电常数和磁导率同时为 负数的介质中的传播特点作过纯理论的研究。 但自然界中没有发现和同时为负数的介质存在，所 以他的研究结果在20世纪一直没有得到实验验证，人们 对左手材料的兴趣也基本消失了。
左手材料 ( < 0, < 0)
k E H k E H E kE E 0 k H 0
可见，E 、H 、k之间满足右手螺旋关系。
k
k
通常的介质就被称为“右手材S 料” (Right-HandSed Materials)
H
H
❖如果介质的μ和ε两者(a) 之间一个为正数 (b) 而另一个为负数，
Shelby R. ,Smith D.R. ,et al ,Science ,2001,292,77
Fig 6. Unit cell of the 901 HWD structure. The direction of propagation of the electromagnetic field is along the x axis, the electric field is oriented along the z axis, and the magnetic field is along the y axis. C=0.025 cm, D=0.030 cm, G=0.046 cm, H= 0.0254 cm, L= 0.33 cm, S= 0.263 cm, T= 17.0×10-4 cm, W= 0.025 cm, and V= 0.255 cm.
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。
左手材料的反射特性与负折射率行为
左手材料的反射特性与负折射率行为3郑 晴 赵晓鹏 付全红 赵 乾 康 雷 李明明(西北工业大学电流变技术研究所,西安 710072)(2005年2月4日收到;2005年6月17日收到修改稿) 利用平板波导法研究了不同入射角度下周期排列开口谐振环负磁导率材料、周期排列金属杆负介电常数材料以及左手材料微波反射特性,并利用劈尖法研究了左手材料的负折射特性.实验结果表明:负磁导率材料反射率曲线形成反射峰,其对应的反射峰频率与材料的谐振频率一致;负介电常数材料反射率接近0dB ;左手材料出现单个反射较小的反射峰,其峰值反射率随入射角度的增大而变大,即反射能力增强,且反射峰与透射峰有相对频移.劈尖法测量还表明,左手材料在9800MH z 频率附近出现负折射现象,其折射率n 为-01796.关键词:左手材料,反射,负折射率PACC :4270Y,6170E ,2570E3国家杰出青年科学基金(批准号:50025207)和国家重点基础研究发展规划(批准号:2004C B719800)资助的课题. 通讯联系人.E 2mail :xpzhao @nw 11引 言左手材料(left 2handed metamaterials )是一种人工周期结构材料,其特性受控于结构单元几何形状及其空间分布,有效介电常数εeff 和磁导率μeff 同时小于零[1].左手材料中传播的电磁场分量E ,B 与波矢k 满足“左手定则”,电磁波的相速度与群速度方向相反,从而呈现出许多奇异的物理光学特性,如反常Doppler 效应、反常Cherenkov 效应、完美透镜效应、负折射效应[2—8]等.目前,对于左手材料的研究主要集中于其奇异的透射行为方面.如Pendry 等[9]提出周期排列开口谐振环(split ring res onators ,SRRs )在其谐振频率附近表现出有效磁导率μeff 为负,周期排列金属杆结构表现出类似于高通滤波器行为,即低频时有效介电常数εeff 小于零.Markos 等[10]模拟了环厚度、环开口、环的几何尺寸等参数对周期排列SRRs 的微波透射特性及谐振频率的影响.Shelby 等[11]通过实验观察到微波频段电磁波通过左手材料与空气界面时发生“负折射”现象.文献[12]采用类似的实验装置测量了不同左手材料的负折射率.我们研究组设计了六边形SRRs 并利用矩形波导法实验研究了由其周期排列形成的负磁导率材料和左手材料中的缺陷效应,取得了一些有意义的结果[13—15].电磁波在介质分界面处的反射现象是电磁波与物质相互作用的一个基本的问题,不仅具有理论意义而且具有非常重要的应用价值.微波斜入射时左手材料的反射行为还未见报道.对于斜入射的研究会深化对左手材料基本问题的理解,必将拓展左手材料的应用范围.本文利用平板波导法实验研究了不同角度入射到SRRs 负磁导率材料、周期排列金属杆负介电常数材料以及左手材料的微波反射特性,利用劈尖法研究了左手材料负折射特性,测量了左手材料的负折射率.21样品制备和反射测量装置采用电路板刻蚀技术在015mm 厚的环氧酚醛玻璃纤维板上制备一系列铜六边形SRRs 和铜杆,经过一定的空间排布形成负磁导率材料和负介电常数材料,铜的厚度均为0102mm.SRRs 设计成六边形是由于六边形更接近于自然界中物质颗粒的形状,并且调控SRRs 的谐振参数使其谐振频率出现在X 波段.如图1(a ),利用内、外环的内切圆直径d 1,d 2(单位mm )表征SRRs 的几何参数,且开口g =013mm ,线宽c =013mm ,铜杆长度1014mm ,线宽015mm.SRRs 和铜杆一一对应且分别位于纤维板两侧,第54卷第12期2005年12月100023290Π2005Π54(12)Π5683205物 理 学 报ACT A PHY SIC A SI NIC AV ol.54,N o.12,December ,2005ν2005Chin.Phys.S oc.以此为结构单元周期排列制得左手材料(如图1(b )所示).图1 刻蚀法所制备的样品示意图 (a )开口谐振环(SRR ),(b )左手材料样品负磁导率材料、负介电常数材料及左手材料以相同的方式排列.沿x ,y 和z 方向上SRRs 的单元数分别为3,29和9.其晶格常数为a =3147mm,b =5mm ,c =5mm.图2是研究样品反射特性装置示意图.样品置于上下两层铝板构成的平板波导中间,铝板间距为1016mm ,铝板前端构成圆盘状,半径为15cm.矩形平板波导两侧放置吸波材料,以使到达样品附近的波束可近似看作均匀平面波.由图2可见,入射波以一定的入射角入射到样品与空气的交界面处,并产生反射,微波检测器探头以圆心为轴,探测其相应反射角度下的功率值.实验中信号发生器频段为X 波段(8—12GH z ).图2 平板波导法反射测量装置示意图3.实验结果及分析3111不同入射角度下反射特性研究选用入射角度为35°,45°和55°情况,对负磁导率材料、负介电常数材料、左手材料反射特性进行了研究.311111负磁导率材料反射特性将负磁导率材料置于测量装置中进行反射测量,结果如图3所示.由图3可见,负磁导率材料样品在X 波段反射率曲线形成反射峰,其对应的反射峰频率与材料的谐振频率一致.在11200MH z 频率处出现反射率极大值,形成反射峰.入射角为35°,反射峰处反射率为-1179dB ,约66123%的能量由样品反射回来;入射角为45°,反射峰处反射率为-0182dB ,约82164%的能量由样品反射回来;入射角为55°,反射峰处反射率为-0151dB ,约89129%的能量由样品反射回来.负磁导率材料在其谐振频率区域磁导率小于零,SRRs 的磁响应在材料谐振频率附近形成透射禁带,在透射禁带下降沿和上升沿频率位置电磁波被大量吸收,在谐振频率点吸收相对较少.根据能量守恒关系I i =I r +I t +I a (其中I i ,I r ,I t 及I a 分别是入射电磁波总能量、经材料反射、透射及吸收的电磁波能量),可知在材料谐振频率附近电磁波透射较小,其反射则较大.图3 负磁导率材料微波反射和透射测量结果311121负介电常数材料反射特性对负介电常数材料微波反射特性进行了研究,结果如图4所示.由图4可见,在9000—12000MH z4865物 理 学 报54卷频段,不同入射角下金属杆的反射率最大值接近0dB ,透射率最小值约为-75dB ,此频段内材料的介电常数小于零.负介电常数材料的电磁波响应行为与等离子体相似,存在一个等离子体谐振频率ωp ,当频率ω<ωp 时,电磁波全部被反射而没有能量透过,因而具有大的反射率.图4 负介电常数材料微波反射和透射测量结果311131左手材料反射特性图5(a )是入射角为35°,45°和55°时左手材料的反射率和透射率随频率变化曲线.由图5(a )可见,在10000—11100MH z 频段内,入射角为35°,其反射谱在10650MH z 频率处出现-12109dB 的反射峰,约6118%的能量由样品反射回来;入射角为45°,在10700MH z 频率处出现-10113dB 的反射峰,约9171%的能量由样品反射回来;入射角为55°,在10650MH z 频率处出现-9114dB 的反射峰,约12119%的能量由样品反射回来.其他频段反射很强,接近于全反射.左手材料透射行为测试表明,透射峰位于8950—10150MH z 频段内,处在周期排列SRRs 和金属杆的禁带交叠处,此时材料的介电常数和磁导率同时小于零.反射峰相对于透射峰发生了约1000MH z 的频移.在波导管中测量x 方向上SRRs 为1层时的左手材料,发现其反射峰位于8950—10150MH z 频段内.本实验左手材料在x 方向上SRRs 为3层,则SRRs 不仅与层内最近邻和次近邻SRRs 发生相互作用,而且还受到层间和斜对角SRRs 的作用.我们认为该相互作用是引起反射峰相对透射峰发生频移的原因.由图5(a )可知,随入射角度的增大左手材料反射率也变大.电场垂直于入射面时,据菲涅耳公式及斯涅尔定律,电磁波由空气入射到介质表面时反射系数R 与入射角θ和折射率n 的关系[16]为R =|E 02|2|E 01|2=(cos θ-n 2-sin 2θ)2(cos θ+n 2-sin2θ)2.(1)由(1)式可以看出,当折射率n 一定时,反射系数R 随入射角θ的增大而增大.由图5(b )可知,左手材料反射率由-12109,-10113dB 变化到-9114dB ,表明其反射峰处反射率随入射角度的增大而变大,即反射能力增强.图5 左手材料的微波特性 (a )左手材料微波反射和透射测量结果,(b )反射峰处反射率随入射角度变化曲线,(c )左手材料由微波反射率和透射率测量结果推算出的吸收率随频率变化曲线586512期郑 晴等:左手材料的反射特性与负折射率行为 根据能量守恒定律,由左手材料反射率和透射率测量结果可推算出左手材料的微波吸收性能.如图5(c )所示,左手材料的吸收率曲线在其谐振环的谐振频率附近形成吸收峰,而在8950—10150MH z 频段吸收率相对较小.3121左手材料负折射率行为将左手材料样品制成劈尖状,其斜边与长直角边夹角为18143°,装置如图6所示.入射波从样品长直角边垂直入射,以其斜边作为折射界面,微波检测器探头以圆盘圆心为轴沿圆盘边缘转动,探测某一角度的出射功率,微波沿吸波材料及铝板形成的通路入射,到达样品斜边的交界面并折射出去,入射角为18143°.图6中虚线为空气与样品斜边交界面的法线方向,对应的出射角为0°.如果此样品具有负折射率,则出射方向将位于图中法线下方,反之出射方向将在法线上方.检测器所检测到的功率峰值所处角度为折射角,据斯涅尔定律得到样品折射率.图6 左手材料负折射测量装置示意图图7(a )给出聚四氟乙烯(T elflon )出射功率随折射角度的变化曲线,算得其折射率为1131,与理论值基本相符.实验在入射波频率为9400,9800,10000,11200MH z 下测试了左手材料负折射行为,结果如图7(b )所示.由图7(b )可见,在9400MH z 频率下,正折射和负折射角度方向都出现了功率峰值,负方向峰值比正方向略高;在10000MH z 频率下,整个方向几乎无能量输出;在11200MH z 频率下,正折射方向出现了4个功率峰,但能量都较小;在9800MH z 频率下,负折射角度方向(其中心在-14157°左右)存在一个较大功率峰,此时其正折射角度方向功率输出很小.这表明9800MH z 频率附近存在很好的负折射结果,据斯涅尔定律,折射率n为-01796.图7 左手材料负折射行为的测量结果 (a )聚四氟乙烯出射功率随折射角度变化曲线,(b )左手材料在不同频率下出射功率随折射角度变化曲线41结 论本文设计并利用电路板刻蚀技术制备了由铜六边形SRRs 和铜杆周期排列而成的左手材料.利用平板波导法研究了不同角度入射到样品表面的微波反射特性,并利用劈尖法研究了左手材料的负折射特性.实验表明:负磁导率材料反射率曲线形成反射峰,其对应的反射峰频率与材料的谐振频率一致;负介电常数材料反射率接近0dB ;左手材料出现单个反射较小的反射峰,其峰值反射率随入射角度的增加而变大,即反射能力增强,且反射峰与透射峰有相对频移,分析认为不同层间SRRs 的相互作用是导致其频移的原因.劈尖法测量表明,左手材料在9800MH z 频率附近出现负折射现象,其折射率n 为-01796.6865物 理 学 报54卷[1]Veselag o V G 1968Sov .Phys .Usp .10509[2]Luo C Y,Ibanescu M H ,Johns on S G et al 2003Science 299368[3]Pendry J B 2000Phys .Rev .Lett .853966[4]Fang N ,Zhang X 2003Appl .Phys .Lett .82161[5]W iltshire M C K,Pendry J B ,Y oung I R et al 2001Science 291849[6]G omez 2Santos G 2003Phys .Rev .Lett .9077401[7]Shen J T ,Platzman P M 2002Appl .Phys .Lett .803286[8]H ouck A A ,Brock J B ,Chuang I L 2003Phys .Rev .Lett .90137401[9]Pendry J B ,H olden A J ,R obbins D J et al 1999IEEE Trans .Microwave Theor .Techniq .472075[10]M arkos P ,S oukoulis C M 2002Phys .Rev .E 6536622[11]Shelby R ,Smith D R ,Schultz S 2001Science 29277[12]Huang fu J ,Ran L ,Chen H et al 2004Appl .Phys .Lett .841357[13]Zhang F L ,Zhao Q ,Liu Y H et al 2004Chin .Phys .Lett .211330[14]Zhao Q ,Zhao X P ,K ang L 2004Acta Phys .Sin .532206(in Chinese )[赵 乾、赵晓鹏、康 雷2004物理学报532206][15]K ang L ,Zhao Q ,Zhao X P 2004Acta Phys .Sin .533379(in Chinese )[康 雷、赵 乾、赵晓鹏2004物理学报533379][16]Wu S H ,Ding S Z 1993Electromotion Mechanics (X i ′an :X i ′an Jiaotong University Press )(in Chinese )[吴寿 、丁士章1993电动力学(西安:西安交通大学出版社)]Reflection and negative refraction of left -handedmetamaterials at microwave frequencie s 3Zheng Qing Zhao X iao-Peng Fu Quan-H ong Zhao Qian K ang Lei Li M ing -M ing(Institute o f Electrorheological Technology ,Northwestern Polytechnical Univer sity ,Xi ′an 710072,China )(Received 4February 2005;revised manuscript received 172005)AbstractW e experimentally investigated the m icrowave reflection of the negative permeability material com posed of periodical arrays of the copper split-ring resonators (SRRs ).The negative dielectric materials are com posed of periodical arrays of copper wires and left-handed materials (LH Ms )in a planar slab waveguide ,and the m icrowave is incident to the surface in different directions.W e also investigated the negative refraction through a prism fabricated from the LH Ms.The experimental results show that for the negative permeability materials ,there is a reflection peak at the resonance frequencies of the SRRs ,and the reflectivity of the negative dielectric material is closed to 0dB.A single smaller reflection peak occurs in the reflected curve of the LH Ms ,the reflectivity of which increases with the incident direction ,that is ,the reflection increases.The reflection peak has a shift with respect to the transm ission peak.It is dem onstrated that negative refractive index of -0.796occurs in the LH Ms at the frequency of 9800MH z.K eyw ords :left-handed metamaterials ,reflection ,negative refractive index PACC :4270Y,6170E ,2570E3Project supported by the National Natural Science F oundation for Distinguished Y oung Scholars of China (G rant N o.50025207)and the S tate K eyDevelopment Program for Basic Research of China (G rant N o.2004C B719800).C orresponding author.E -mail :xpzhao @nw 786512期郑 晴等:左手材料的反射特性与负折射率行为。
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。
负折射率材料
负折射率材料一、负折射率材料历史及研究现状负折射率材料(NIMs，Negative index materi—als)是指一种介电常数e和磁导率同时为负值的材料，具有负群速度、负折射效应、逆多普勒效应、逆切仑科夫辐射、理想成像等异常的物理性质。
这种被称为负折射率材料(“左手材料”）的人工复合材料在固体物理、材料科学、光学和应用电磁学领域内开始获得愈来愈广泛的青睐,对其的研究正呈现迅速发展之势。
负折射率材料的这些异常特性，使其在固体物理、材料科学、光学和应用电磁学领域获得愈来愈广泛的青睐，世界各国对其的研究正呈现迅速发展之势。
到目前为止，负折射率材料已经在微波、太赫兹波、红外以及可见光波段被证实，并已经开始进行应用领域的研究与探索。
这种负折射率系数介质的人工复合材料在理论与实验上引起了广泛关注.早在1967年Veselago首先研究了这种负折射率系数材料（1eft—handed media）,他用方程证明这种材料具有负的光学折射率。
由于传统材料的折射率为正数，我们通常称这种材料为正折射率材料.负折射率材料具有一些奇特的光学与电磁学性质,比如Doppler效应与Cherenkov辐射的逆转、交界面上的反常折射、原子自发辐射率的特殊改变等现象在负折射率材料中都会出现。
电磁波在这种材料中的传播特性与在一般材料中相比有很大的不同。
负折射率材料的出现，颠覆了～般材料中所普遍遵循的“右手规律”。
而它的出现却是源于上世纪60年代前苏联科学家的假想.物理学中,介电常数e和磁导率p是描述均匀媒质中电磁场性质的最基本的两个物理量.在已知的物质世界中，对于电介质而言，介电常数e和磁导率u都为正值,电场、磁场和波矢三者构成右手关系,这样的物质被称为右手材料（right-handexlmalefials，RHM)。
这种右手规则一直以来被认为是物质世界的常规，但这一常规却在上世纪60年代开始遭遇颠覆性的挑战。
1968年，前苏联物理学家Veselago在前苏联一个学术刊物上发表了一篇论文，首次报道了他在理论研究中对物质电磁学性质的新发现,即:当e和肛都为负值时，电场、磁场和波矢之间构成左手关系。
左手材料与负折射
万方数据化学进展第１９卷不存在这种材料。
英国帝国理工学院的Ｐｅｎｄｒｙｔ３一】从电磁场Ｍ—ｅＵ方程和物质本构方程出发，通过理论计算指出：（１）间距在毫米级的金属细线构成的格子结构具有类似等离子体的物理行为，共振频率在ＧＨｚ，低于此频率时介电常数出现负值；（２）利用非磁性导电金属薄片构成开环共振器（ｓｐｌｉｔｒｉｎｇ陀∞ｎａｔ吣，ＳＲ风）并组成方阵，可以实现负的有效磁导率，而且负的磁导率是可调的，这是自然界的物质无法达到的¨ｏ。
ＳＩｌｌｉｔｈ等Ｍ１按照Ｐｅｎｄｒｙ的理论构想，利用金属铜的开环共振器和导线组成二维周期性结构，首次在实验上制造出微波波段具有负介电常数、负磁导率的介质（如图１）。
这种人工介质对微波表现出反常的折射方向ｎ】。
ＳＩＩｌｉｔＩｌ等¨’９１的实验结果遭到了好几位物理学家的质疑，原因是他们认为左手物质将违反因果律、光速上限以及能量守恒的原理。
图１金属开环共振器与细导线构成的左手人工介剧７１Ｆｉｇ．１ｌ旃一ｌ姗ｄｅｄｍｅｄｉ岫ｃ０ＩｌｓｉｓｔｉｎｇｏｆｓｑＩｌａ陀ｃｏｐｐｅｒ８ｐｌｊｔｒｉＩｌｇ肥∞∞胁卸ｄｃ叩ｐｅｒｗｉ∞耐ｐ８∞ｆｉｂｅｒｇｌ螂ｃｉｒｃ血ｂ∞“７１随后，Ｅｌｅｆｔｈｅｒｉａｄｅｓ等¨刚和Ｐａｍｚｏｌｉ等ｕ１１分别发表了在微波波段负折射率物质的实验报告。
两组科学家在实验中直接观测到了逆折射定律：折射发生的方向与一般物质完全相反。
Ｍ１１ｒ的Ｈｏｕｃｋ等¨２１实验证实，至少在微波区域左手介质中的确存在负折射。
在美国物理学会２００３年３月会议上，Ｐａｒｉｌｌｌｉ等ｕ３１也提出，利用ＳＲＲｓ和金属导线的复合结构确实能够实现左手材料。
至此，关于左手材料的争论才告一段落。
２００３年ｓｃ如，聊将这种奇异材料的研制纳入年度十大科学进展。
对于开环共振器（ＳＲＲｓ）和细金属导线构成的复合微结构而言，磁导率为：小）＿１一再等而∞一山一＋Ｕ∞其中倒。
是体系的磁共振频率，，表示金属占据格子的体积分数，ｉ为虚数单位，ｒ为损耗频率（远小于∞。
左手材料调研
一、 左手材料的基本特性：
左手材料最先是由前俄罗斯科学家 Veselago[1]提出， 他指出当介电常数ε与磁导率μ同时 为负时， 电场、 磁场与波矢之间构成左手关系， 这也是左手材料 （left-handed materials， LHMS） 名称的由来。 左手材料具有负折射， 反多普勒效应、 逆切伦科夫辐射、 完美棱镜等奇特的性质。 1.1 负折射现象 如图 1 所示，一单色平面波以角度 θi 从普通的右手介质入射到交接面，且入射波为垂直 极化波。当电磁波入射到两种不同折射率的介质界面时，将会发生折射，且满足斯涅耳定律：
图 4 Goo-Hanchen 位移与反 Goo-Hanchen 位移
1.6 反光压效应
图 5 完美棱镜示意图
一束平面单色波可以看做是光子流，其中每个光子都携带的动量为 p = k ，其中 为普朗 克常数。因此光波对被照射物体施有一定的压力，单位面积上的压力叫光压。当光波入射到正 折射率介质中，波矢方向与光子流的运动方向相同，根据动量守恒定律，每个光子都将会对反 射体产生 2k 的指向物体内部的动量压力，如图所示，而当光波入射到负折射率介质中，由于 因 波矢方向与波传播方向相反每个光子都将会对反射体产生 2k 的指向物体外部的动量拉力， 此具有反光压效应。
图 3 右手介质和左手介质中的切伦科夫辐射
sin θ会发生全反射， 全反射光束在介质的分界面上将沿入射光波波矢量的平行分量发生侧向 位移， 如图 （a） 所示。 该位移由 Goos 和 Hanchen 首次发现， 因此命名为 Goos-Hanchen 位移。 如果介质 2 为左手材料时，且|n2| < n1，也会发生全反射，此时的反射光束同样在界面上发生 侧向位移，但是位移的方向延入射波波矢量的平行分量的反向发生位移，如图（b） 。这主要是 因为左手材料的负相速的缘故，该现象被称为反 Goos-Hanchen 位移。
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* 国家杰出青年科学基金( 批准号: 50025207) 和国家重点基础研究发展规划( 批准号: 2004CB719800) 资助的课题. 通讯联系人. E mail: xpzhao@ nwpu. edu. cn
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物理学 报
54 卷
以此为结构单元周期排列制得左手材料( 如图 1( b) 所示) .
( 西北工业大学电流变技术研究所, 西安 710072) ( 2005 年 2 月 4 日收到; 2005 年 6 月 17 日收到修改稿)
利用平板波导法研究了不同入射角度下周期排列开口谐振环负磁导率材料、周期排列金 属杆负介电 常数材料
以及 左手材料微波反射特性, 并利用劈尖法研究了左手材 料的负折射特性. 实验结果表 明: 负 磁导率材料 反射率曲 线形 成反射峰, 其对应的反射峰频率与材料的谐振频率一 致; 负介电常数材料反射率 接近 0 dB; 左手材料 出现单个 反射较小的反 射峰, 其峰值反射率随入射角度的增大 而变大, 即反 射能力 增强, 且反射 峰与透 射峰有 相对频 移. 劈 尖法测量还表明, 左手材料在 9800 MHz 频率附近出现负折射现象, 其折射率 n 为- 0 796.
图 2 平板波导法反射测量装置示意图
图 3 负磁导率材料微波反射和透射测量结果
3 1 2 负介电常数材料反射特性 对负介电常数材料微波反射特性进行了研究,
结果如图 4 所示. 由图 4 可见, 在 9000 12000 MHz
12 期
郑 晴等: 左手材料的反射特性与负折射率行为
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频段, 不同入射角下金属杆的反射率最大值接近 0 dB, 透射率最小值约为- 75 dB, 此频段内材料的介 电常数小于零. 负介电常数材料的电磁波响应行为 与等离子体相似, 存在一个等离子体谐振频率 p, 当频率 < p 时, 电磁波全部被反射而没有能量透 过, 因而具有大的反射率.
将左手材料样品制成劈尖状, 其斜边与长直角 边夹角为 18 43 , 装置如图 6 所示. 入射波从样品长 直角边垂直入射, 以其斜边作为折射界面, 微波检测 器探头以圆盘圆心为轴沿圆盘边缘转动, 探测某一 角度的出射功率, 微波沿吸波材料及铝板形成的通 路入射, 到达样品斜边的交界面并折射出去, 入射角 为 18 43 . 图 6 中虚线为空气与样品斜边交界面的 法线方向, 对应的出射角为 0 . 如 果此样品具有负 折射率, 则出射方向将位于图中法线下方, 反之出射 方向将在法线上方. 检测器所检测到的功率峰值所 处角度为折射角, 据斯涅尔定律得到样品折射率.
3 1 不同入射角度下反射特性研究
选用入射角度为 35 , 45 和 55 情况, 对负磁导 率材料、负介电常数材料、左手材料反射特性进行了 研究. 3 1 1 负磁导率材料反射特性
将负磁导 率材料置于测 量装置中进行反 射测 量, 结果如图 3 所示. 由图 3 可见, 负磁导率材料样 品在 X 波段反射率曲线形成反射峰, 其对应的反射 峰频率与材料的谐振频率一致. 在 11200 MHz 频率 处出现反射率极大值, 形成反射峰. 入射角为 35 , 反 射峰处反射率 为- 1 79 dB, 约 66 23% 的能量 由样 品反 射 回 来; 入 射 角 为 45 , 反 射 峰 处 反 射 率 为 - 0 82 dB, 约 82 64% 的能量由样品反射回来; 入射 角为 55 , 反射峰处反射率为 - 0 51 dB, 约 89 29% 的能量由样品反射回来.
3. 实验结果及分析
图 1 刻蚀法所制备的样品示意图 ( a) 开口谐振环( SRR) , ( b) 左手材料样品
负磁导率材料、负介电常数材料及左手材料以 相同的方式排列. 沿 x , y 和z 方向上 SRRs 的单元数 分别为 3, 29 和 9. 其晶格常数为 a= 3 47 mm, b = 5 mm, c= 5 mm.
2 样品制备和反射测量装置
采用电路板刻蚀技术在 0 5 mm 厚的环氧酚醛 玻璃纤维板上制备一 系列铜六边形 SRRs 和铜 杆, 经过一定的空间排布形成负磁导率材料和负介电常 数材料, 铜的厚度均为 0 02 mm. SRRs 设计成六边形 是由于六边形更接近于自然界中物质颗粒的形状, 并且调控 SRRs 的谐振参数使其谐振频率出现在 X 波段. 如图 1( a) , 利用内、外环的内切圆直径 d 1, d2 ( 单位 mm) 表征 SRRs 的几何参数, 且开口 g = 0 3 mm, 线宽 c = 0 3 mm, 铜杆长度 10 4 mm, 线 宽 0 5 mm. SRRs 和铜杆一一对应且分别位于纤维板两侧,
图 2 是研究样品反射特性装置示意图. 样品置 于上下两层铝板构成的平板波导中间, 铝板间距为 10 6 mm, 铝板前端构成圆盘状, 半径为 15 cm. 矩形 平板波导两侧放置吸波材料, 以使到达样品附近的 波束可近似看作均匀平面波. 由图 2 可见, 入射波以 一定的入射角入射到样品与空气的交界面处, 并产 生反射, 微波检测器探头以圆心为轴, 探测其相应反 射角度下的功率值. 实验中信号发生器频段为 X 波 段( 8 12 GHz) .
目前, 对于左手材料的研究主要集中于其奇异 的透射行为方面. 如 Pendry 等[ 9] 提出周期排列开口 谐振环( split ring resonators, SRRs) 在其谐振频率附 近表现出有效磁导率 eff 为负, 周期排列金属杆结 构表现出类似于高通滤波器行为, 即低频时有效介 电常数 eff 小于零. Markos 等[ 10] 模拟了环厚度、环开 口、环的几何尺寸等参数 对周期排列 SRRs 的微波 透射特性及谐振频率的影响. Shelby 等[ 11] 通过实验 观察到微波频段电磁波通过左手材料与空气界面时 发生 负折射 现象. 文献[ 12] 采用类似的实验装置 测量了不同左手材料的负折射率. 我们研究组设计 了六边形 SRRs 并利用矩形波导法实验研究了由其 周期排列形成的负磁导率材料和左手材料中的缺陷
负磁导率 材料在其谐振 频率区域磁导率 小于 零, SRRs 的磁响应在材料谐振频率附近形成透射禁 带, 在透射禁带下降沿和上升沿频率位置电磁波被 大量吸收, 在谐振频率点吸收相对较少. 根据能量守 恒关系 I i = I r + I t + I a( 其中 I i , I r , I t 及 I a 分别是入 射电磁波总能量、经材料反射、透射及吸收的电磁波 能量) , 可知在材料谐振频率附近电磁波透射较小, 其反射则较大.
料反射率由- 12 09, - 10 13 dB 变化到- 9 14 dB,
表明其反射峰处反射率随入射角度的增大而变大,
即反射能力增强.
图 4 负介电常数材料微波反射和透射测量结果
3 1 3 左手材料反射特性 图 5( a) 是入射角为 35 , 45 和 55 时左手材料的
反射率和透射率随频率变化曲线. 由图 5( a) 可见, 在 10000 11100 MHz 频段内, 入射角为 35 , 其反射 谱在 10650 MHz 频率处出现 - 12 09 dB 的反射峰, 约 6 18% 的能量由样品反射回来; 入射角为 45 , 在 10700 MHz 频 率处 出 现 - 10 13 dB 的 反 射 峰, 约 9 71% 的能量 由 样品 反 射回 来; 入 射角 为 55 , 在 10650 MHz 频 率 处 出 现 - 9 14 dB 的 反 射 峰, 约 12 19% 的能量由样 品反射回 来. 其 他频段 反射很 强, 接近于全反射.ຫໍສະໝຸດ 5 68 6物理学 报
54 卷
根据能量守恒定律, 由左手材料反射率和透射 率测量结果可推算出左手材料的微波吸收性能. 如 图 5( c) 所示, 左手材料的吸收率曲线在其谐振环的 谐振 频率附近 形成吸收 峰, 而 在 8950 10150 MHz 频段吸收率相对较小.
3 2 左手材料负折射率行为
左手 材 料 透 射 行 为 测 试 表 明, 透 射 峰 位 于 8950 10150MHz 频段内, 处在周期排列 SRRs 和金 属杆的禁带交叠处, 此时材料的介电常数和磁导率 同时小 于零. 反射峰 相对于 透射峰 发生 了约 1000 MHz 的频移. 在波导管中测量 x 方向上 SRRs 为 1 层 时的左手材料, 发现其反射峰位于 8950 10150 MHz 频段内. 本实验左手材料在 x 方向上 SRRs 为 3 层, 则 SRRs 不仅与层 内最近邻和次近邻 SRRs 发生相 互作用, 而且还受到层间和斜对角 SRRs 的作用. 我 们认为该相互作用是引起反射峰相对透射峰发生频 移的原因.
第 54 卷 第 12 期 2005 年 12 月 1000 3290 2005 54( 12) 5683 05
物理学报
ACTA PHYSICA SINICA
Vol. 54, No. 12, December, 2005 2005 Chin. Phys. Soc.
左手材料的反射特性与负折射率行为*
郑 晴 赵晓鹏 付全红 赵 乾 康 雷 李明明
效应, 取得了一些有意义的结果[ 13 15] . 电磁波在介 质分界面处的反射现象是电磁波与物质相互作用的 一个基本的问题, 不仅具有理论意义而且具有非常 重要的应用价值. 微波斜入射时左手材料的反射行 为还未见报道. 对于斜入射的研究会深化对左手材 料基本问题的理解, 必将拓展左手材料的应用范围. 本文利用平板波导法 实验研究了不同角度入 射到 SRRs 负磁导率材料、周期排列金属杆负介电常数材 料以及左手材料的微波反射特性, 利用劈尖法研究 了左手材料 负折射 特性, 测量 了左 手材料 的负 折 射率.
由图 5( a) 可知, 随入射角度的增大左手材料反 射率也变大. 电场垂直于入射面时, 据菲涅耳公式及 斯涅尔定律, 电磁波由空气入射到介质表面时反射
图 5 左手材料的微波特性 ( a) 左手材料微波反射和透射测量 结果, ( b) 反射峰处反射率随入射角度变化曲线, ( c) 左手材料由微 波反射率和透射率测量结果推算出的吸收率随频率变化曲线