左手材料的应用
左手材料的研究进展及应用
左手材料的研究进展及应用左手材料研究进展及应用左手材料,指的是介电常数(ε)和磁导率(μ)都是负数的材料(物质).在自然界中,所有物质的介电常数(ε)和磁导率(μ)都是正数.左手材料这种新型材料的非常之处,在于其负的介电常数和磁导率使得主导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作”异向介质”,”负折射系数材料”. 迄今为止,我们在自然界中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.这也是这种材料被称为"左手材料"的原因.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物理特性.由于这个学期正在学习电磁场,电磁场的数学基础和这种反常自然界物质的神奇特性让我非常感兴趣.虽然阅读了较多的文献,不过很多理论还是不能理解.不过,我理解的那一部分已经受益匪浅了.比如,人的大脑要有创新精神,敢于突破常规,虽然右手规则是统治自然界物质的普遍规律,在我们的脑海中,也根深蒂固的有ε和μ同时>0的概念,不过,只要敢于想,敢于创造,这种突破自然界常规的物质LHM(left hand material)就可以发挥出它巨大的功能.一.左手理论的起源和发展1967年，前苏联物理学家Veselag。
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材料，同时指出，电磁波在左手材料中的行为与在右手材料中相反，比如光的负折射、负的切连科夫效应、反多普勒效应等等。
这篇论文引起了一位英国人的关注，1968年被译成英文重新发表在另一个前苏联物理类学术刊物上。
但几乎无人意识到，材料世界从此翻开新的一页。
左手材料的研究发展并不是一帆风顺。
在这一具有颠覆性的概念被提出后的30年里，尽管它有很多新奇的性质，但由于只是停留在理论上，而在自然界中尚未发现实际的左手材料，所以，这一学术假设并没有立刻被人接受，而是处于几乎无人理睬的境地，直到将近本世纪时才开始出现转机。
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。
.
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
.
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；
.
负折射率材料的反常规现象
.
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。
.
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。
.
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。
.
.
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。
左手材料在天线中的运用研究进展
结果可视化
通过将仿真结果以图形化方式呈 现出来，可以更加直观地观察左 手材料天线的性能表现，并对其 进行优化和改进。
优化设计
根据数据分析结果和仿真结果可 视化，对左手材料天线的设计进 行优化和改进，包括调整结构、 更换材料等措施，以提升天线的 性能表现。
05
左手材料在天线中运用的实验研究
实验设备与样品制备
评价
左手材料为天线设计提供了全新的思路和方案，突破了传统右手材料的天线 设计框架。这一领域的研究成果为天线技术的发展开辟了新的方向，有望在 无线通信、雷达、导航和物联网等领域发挥重要作用。
对未来研究的建议与展望
建议：进一步深入研究左手材料在天线中的应用，需要 关注以下几个方面
2. 结合新兴的纳米制造和3D打印技术，实现左手材料天 线的高效制备和微型化；
选用原则
在选择电磁仿真软件时，应根据左手材料天线的具体特点和需求进行选择，同时还要考虑计算精度、 计算速度、易用性、可扩展性等因素。
基于FEM/BEM的左手材料天线仿真分析
FEM/BEM方法介绍
FEM是一种基于有限元方法的电磁仿真算法，它将整 个空间离散成许多小的单元，并对每个单元进行求解 ，从而得到整个空间的场分布。而BEM是一种基于边 界元方法的电磁仿真算法，它只对边界进行离散和求 解，从而得到内部的场分布。
4. 将人工智能和机器学习等先进技术引入左手材料天线 的设计和分析，实现更为智能和高效的研究和应用。
1. 探索更多新型左手材料结构和特性，以实现更优异 的性能；
3. 研究左手材料在多频段和宽频带天线的应用，提升 天线的多功能性和适应性；
展望：未来左手材料在天线中的应用研究将进一步拓展 和深化
THANK YOU.
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
基于左手材料(LHM)的天线设计理念详细介绍
基于左手材料（LHM）的天线设计理念详细介绍随着雷达应用需求的不断扩展，作为关键部件的天线，尤其是主流的有源相控阵天线的发展日新月异。
为适应现代雷达的高设计指标要求，新的解决方案、设计理论、材料以及微波器件正不断涌现，天线微波领域面临着新的技术革命。
左手材料(kft-Handed Material，LHM)作为一种应用材料，可为天线微波领域提供更多的技术选择。
LHM具有介电常数占与磁导率p同时为负值的电磁特性，这与自然界中的大多数材料有着直接的差异。
电磁波在该介质中传播时，电场强度、磁场强度与传播矢量三者遵循左手螺旋定则，因此存在负折射效应、逆多普勒效应、逆切仑科夫辐射和理想透镜等多种奇特物理现象。
2001年，美国麻省理工学院的Smith等人根据Pendry的理论模型及设计思想，首次制备出在微波波段同时具有负介电常数和负磁导率的材料，并通过实验观察了负折射现象旧1。
LHM由此引起了科学界的浓厚兴趣，对其基本理论和实验的研究正不断完善，其已成为近年来物理学和电磁学领域的研究热点。
1.左手材料(kft-Handed Material，LHM)作为一种应用材料，可为天线微波领域提供更多的技术选择。
LHM具有介电常数占与磁导率p同时为负值的电磁特性，这与自然界中的大多数材料(s 与弘构造的材料空间如图1所示)有着直接的差异。
电磁波在该介质中传播时，电场强度、磁场强度与传播矢量三者遵循左手螺旋定则，因此存在负折射效应、逆多普勒效应、逆切仑科夫辐射和理想透镜等多种奇特物理现象?。
2001年，美国麻省理工学院的Smith等人根据Pendry的理论模型及设计思想，首次制备出在微波波段同时具有负介电常数和负磁导率的材料，并通过实验观察到了负折射现象。
LHM由此引起了科学界的浓厚兴趣，对其基本理论和实验的研究正不断完善，其已成为近年来物理学和电磁学领域的研究热点。
2.天线及阵列复合左手结构中存在4个频带区，分别为左手导波区、左手辐射区、右手辐射区和右手导。
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
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。
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
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。
浅谈“左手材料”在未来无线通信系统中的应用
证 ．人 们 对 左手 材 料 的兴 趣也 基 本 消 失 了 。
１ ９ 年 ～ １９ 年 ．英 国 的 Ｐ ｎ ｙ 人 相 继 提 出 了 ８ ９ ９ ９ ｅ ｄ 等 ｒ
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在 物 质 中 的传 播 特 性 可 以ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 介 电 常 数 ￡和 磁 导 率 “两 等 物 理 学 家根 据 Ｐ ｎ 等 人 的 建 议 ．利 用 以铜 为主 的 复 ｅ ｒ ｄｙ 个 宏 观 参 数 来 描 述 。到 目前 为 止 ． 自然 界 中 已 发 现 的 物 合 材 料 首 次 制 造 出在 微 波 波 段 具 有 负 介 电常 数 、负 磁 导 质 的这 两 项参 数 一 般 都 为正 数 ．或 者 为一 正 一 负 。
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
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100THz单谐振环磁响应样品
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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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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,μ3 < 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λ2 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。
比如左手材料在其特性频带范围内对电磁波有较高的传输,即实现电磁波从原来的禁带到导带的转变,可以有效地降低特定频带范围的电磁波反射,利用这一特性可以应用到隐身领域中。
另外Pendry 对L HM 可制成超级透镜进行了预言[32 ] ,利用左手材料负折射特性,L HM 平板可使点源发出的波重新汇聚,可以进行微波镜像分析,如图3 (c) 所示,若A 点放置实际天线,经过左手材料平板在B 处成像,从而相当于天线在B 处辐射一样,在军事中可以起到隐蔽天线A 的作用。
在微波、光学等领域也隐含着巨大的应用价值。
利用平面波在左手材料中坡印亭矢量与相速相反及与双正材料分界面处不规则折射,Nader Engheta 提出利用L HM 制备超薄谐振腔的概念[33 ] 。
他指出,对于左手材料和普通材料构成的谐振腔左手材料起了相位补偿作用,使得谐振频率和谐振腔厚度无关而只与两种材料的厚度比例有关,这样可以构造远小于半波长尺度的超薄谐振腔,结构如图6 所示。
图6 超薄谐振腔结构: d1 、d2 之比而不是两者之和成为主要制约因数Fig 6 The st ruct ure of t hin cavity resonator :t he ratioof d1 and d2 is t he main const raint ,not t he sumof t hicknesses , d1 + d24 功 能 材 料 2006 年第1 期(37) 卷© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 左手材料也可以在天线领域中得到应用。
利用左手材料中电磁波的反切仑科夫辐射,可以制备后向波辐射天线。
另外左手材料在微带线、传输线,调制器中也可以得到应用,相信其应用领域会随着研究地深入而进一步扩展。
6 结 语左手材料的实现开辟了一个新的研究领域,要对表现出的新颖电磁特性进行解释,理论上需要进一步完善。
目前研究仍主要集中在微波频带,以实验现象和测量分析为主。
现有材料对电磁波的响应有明显的各向异性,并且存在带宽窄和损耗大的缺点,限制了其应用范围。
因此设计新的结构和对现有的材料进行优化将是今后进一步研究的主要任务。
4 左手材料的应用和展望随着对左手材料的制备和物理特性等研究的深入,人们也开始尝试研究开发左手材料的应用。
微波段左手材料可广泛应用于微波器件,如微波平板聚焦透镜、带通滤波器、耦合器[26 ] 、宽带相移器[27 ] 和天线等。
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、恶劣天气条件下的导航、微型谐振腔等。
可见光波段左手材料可以制作能突破衍射极限的透镜,因而可应用于超灵敏单分子探测器,用于探测微量污染、具有危险性的生物化学药剂、血液中表征早期疾病的蛋白质分子和进行医学诊断成像等。
另外利用左手材料负折射和倏逝波放大特性,可以制作集成光路里的光引导元件,有望制作出分辨率比常规光学透镜高几百倍的扁平光学透镜。
左手材料也有望解决高密度近场光存储遇到的光学分辨率极限问题,制作出存储容量比现有DVD 高几个数量级的新型光学存储系统[5 ,28 ] 。
目前因红外及可见光波段左手材料的制备技术还不成熟,所以左手材料的应用研究还集中在微波波段,特别是用在天线及射频武器领域更有独特的优势。
由于空间通信与微波(射频)武器等领域对天线的要求日益提高,因此要求天线: ①具有高定向性,以确保通信的保密性和高效性; ②低重量,以具有机动性、移动性和易携带性; ③具有高增益,以降低对发射系统的要求。
传统天线难以达到这些要求。