材料物理結(jié)課論文左手材料(結(jié)課論文12)

1、材料物理結(jié)課論文題目：左手材料學(xué)院：姓名：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)老師： 2013年 12月26日目 錄摘要11.引言12.左手材料概念與提出，發(fā)展12.1左手材料概念12.2左手材料的提出33.左手材料的理論34左手材料的奇異特性74.1負(fù)折射效應(yīng)74.2反常 Doppler 效應(yīng)74.3反常 cherenkov 輻射85.左手材料的實(shí)驗(yàn)制備和研究現(xiàn)狀95.1左手材料的實(shí)驗(yàn)制備95.2左手材料研究現(xiàn)狀116.左手材料的潛在應(yīng)用117.結(jié)語(yǔ)13參考文獻(xiàn)13致謝16題目：左手材料摘要：左手材料是一種介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)值的人工材料,這種材料具有負(fù)群度、負(fù)折射率、逆多普勒效應(yīng)等多種奇特的物理性質(zhì)。敘述了左手

2、材料概念和基本原理,介紹了左手材料的應(yīng)用及其發(fā)展前景。詳細(xì)介紹了左手材料(同時(shí)擁有負(fù)磁導(dǎo)率和負(fù)介電常數(shù))存在的理論依據(jù)、實(shí)現(xiàn)方法和基本電磁特性 ,光學(xué)和微波等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用 ,及其研究 現(xiàn)狀。關(guān)鍵詞：左手材料;負(fù)磁導(dǎo)率;負(fù)介電常數(shù) ; 負(fù)折射 逆多普勒效應(yīng)1Abstract:Left-handed materials is a kind of dielectric constant and magnetic permeability and negative artificial materials, the material with negative group of degree of

3、negative refractive index inverse doppler effect and so on a variety of unique physical properties. Describes the left-handed material concept and basic principle, this paper introduces the application and development prospect of left-handed materials. Left-handed materials was introduced in detail(

4、also has the negative magnetic permeability and negative permittivity) method and the theoretical basis of the basic electromagnetic characteristics, potential applications in the field of optical and microwave etc, and its research statusKey words: Left hand materials; Negative magnetic permeabilit

5、y; Negative dielectric constant; Negative refraction inverse doppler effect.22013年第一學(xué)期材料物理結(jié)課論文1.引言19世紀(jì)60年代，Maxwell方程組的提出極大地促進(jìn)了人工復(fù)合電磁材料的發(fā)展，人工復(fù)合電磁材料是自然界中并不存在，而是 人們根據(jù)電磁理論推導(dǎo)，計(jì)算，設(shè)計(jì)并且制備出來(lái)的，具有特殊電磁 屬性的人造媒質(zhì)或材料。它通常是由兩種或兩種以上的自然界物質(zhì)按照一定的規(guī)則組成。在眾多人工復(fù)合電磁材料的研究中，最具有代表性的是光子晶體帶隙（photonic crystal band-gap，PBG）材料和左手材料（le

6、ft-handed materials，LHMs）。雖然左手材料僅在最近十年才得到深入研究，但其在物理學(xué)，材料學(xué)，光學(xué)，力學(xué)和應(yīng)用電磁學(xué)等領(lǐng)域所產(chǎn)生的影響力絲毫不遜于光子晶體，左手材料由于介電常數(shù)與磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)而具有多種特殊的電磁性質(zhì)，在精密儀器，智能控制和通訊系統(tǒng)等領(lǐng)域具有很高的應(yīng)用價(jià)值。在左手材料研究工作的基礎(chǔ)上，超材料（metamaterials）的概念又被歷史性地提出，這使得人們對(duì)材料的認(rèn)識(shí)水平上升到了新的高度。繼“負(fù)折射率左手材料”被美國(guó) Science 雜志評(píng)為2003 年的世界十大科技突破之后，“超材料隱身斗篷”再次被評(píng)為 2006 年的世界十大科技突破之一。以左手材料為典型代

7、表的超材料開(kāi)辟了新的研究領(lǐng)域，正在推動(dòng)著新一輪的技術(shù)革新。在世界上第一種人工左手材料制備出不久，科技界就預(yù)言左手材料能夠給天線領(lǐng)域帶來(lái)革命性的變化。近幾年的相關(guān)研究表明，左手材料及單負(fù)材料（獨(dú)立具有負(fù)介電常數(shù)或負(fù)磁導(dǎo)率性質(zhì)）已經(jīng)在天線上顯示出了巨大的優(yōu)勢(shì)。國(guó)內(nèi)外眾多的科研小組在這個(gè)領(lǐng)域開(kāi)展了大量的研究工作，并取得了豐碩的研究成果。與傳統(tǒng)天線相比，利用左手材料及單負(fù)材料設(shè)計(jì)出的新型天線具有性能和結(jié)構(gòu)上的雙重優(yōu)勢(shì)，在商業(yè)和軍事上均有廣闊的應(yīng)用前景，同時(shí)將對(duì)人類(lèi)生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。2.左手材料概念與提出，發(fā)展2.1左手材料概念 物理學(xué)中，介電常數(shù)和磁導(dǎo)率是用于描述物質(zhì)電磁性質(zhì)最基本的物理量，自然界中

8、存在的電介質(zhì)，介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都大于0，且電場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度和波矢量滿(mǎn)足右手定則，這一定律被認(rèn)為是物質(zhì)世界的常規(guī)，具有不可動(dòng)搖的地位. 滿(mǎn)足這一條件的物質(zhì)被相應(yīng)稱(chēng)為右手材料（right-handed materials，RHM）. 左手材料1（left-handed materials，LHM）. 左手材料是與右手材料性質(zhì)完全相反的一種材料。在經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)中，介質(zhì)的電磁性質(zhì)可以用介電常數(shù)和磁導(dǎo)率兩個(gè)宏觀參數(shù)來(lái)描述。正弦時(shí)變電磁場(chǎng)的波動(dòng)方程（Helmholtz方程）為： (2-1) (2-2)和一般都與電磁波頻率有關(guān)并且在大多數(shù)情況下都為正數(shù)，此時(shí)方程(2-1)和(2-2)有波動(dòng)解，電磁波能在其

9、中傳播。對(duì)于無(wú)損耗、各向同性、空間均勻的介質(zhì)，由Maxwell方程組能推出：可見(jiàn)，上面的，滿(mǎn)足右手螺旋關(guān)系，滿(mǎn)足此類(lèi)關(guān)系的介質(zhì)被稱(chēng)為右手材料如果介質(zhì)的和兩者之間一個(gè)為正數(shù)而另一個(gè)為負(fù)數(shù)，則，無(wú)實(shí)數(shù)解；即方程(2-1)和(2-2)無(wú)波動(dòng)解，電磁波不能在其中傳播。如果介質(zhì)滿(mǎn)足,，方程(2-1)和(2-2)有波動(dòng)解，電磁波能在其中傳播。但是 ， 之間不再滿(mǎn)足右手螺旋關(guān)系而是滿(mǎn)足左手螺旋關(guān)系（如圖2.1所示）。這種介質(zhì)就被稱(chēng)為“左手材料”。圖2.1和的的象限圖2.2左手材料的提出1967年，前蘇聯(lián)物理學(xué)家Veselago在他發(fā)表的一篇文章中首次提出了一種假想材料左手材料1（left-handed ma

10、terials，LHM）. 左手材料是與右手材料性質(zhì)完全相反的一種材料，它是指物質(zhì)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率 同時(shí)為負(fù)的材料.由于自然界中尚沒(méi)有發(fā)現(xiàn)和同時(shí)為負(fù)的物質(zhì)，左手材料要通過(guò)人工制造來(lái)獲得，Veselago的研究成果一直沉睡了30余年. 直到1996年，英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院的Pendry指出可以用細(xì)金屬導(dǎo)線陣列（Rod）構(gòu)造等效介電常數(shù)為負(fù)的人工材料2；1999年，Pendry又指出可以用諧振環(huán)陣列（SRR，split-ring resonator）構(gòu)造等效磁導(dǎo)率為負(fù)的人工材料3-5. 一個(gè)里程碑性的工作是2000年美國(guó)加州大學(xué)圣迭戈分校的Smith等人把二者結(jié)合起來(lái)，首次實(shí)現(xiàn)了左手材料6，并提出了

11、利用左手材料制作完美透鏡的理論. 2003年美國(guó)Parazzoli7等人及 Houck8等人分別對(duì)左手材料進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)研究，所得樣品實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬計(jì)算數(shù)據(jù)恰好吻合，清晰而顯著地展示出負(fù)折射現(xiàn)象；且與在不同入射角下測(cè)量的負(fù)折射率一致，完全符合Snell定律. 隨后，左手材料的研究成為國(guó)際電磁學(xué)界一個(gè)引人注目的前沿領(lǐng)域，引起了眾多學(xué)者的關(guān)注.3.左手材料的理論根據(jù)和的符號(hào)，理論上材料可分為四類(lèi)（如圖 3.1 所示）。圖3.1和的的象限圖 自然界中絕大多數(shù)材料位于第象限，其和均大于零。等離子體和金屬低于其等離子體頻率時(shí), ，位于第 象限，鐵氧體在其鐵磁諧振頻率附近，位于第 象限，它們的折射率為虛

12、數(shù)，電磁波不能在其中傳播，該材料內(nèi)傳播的電磁波為倏逝波。第 象限中，小于零，小于零，其折射率為實(shí)數(shù)，同第象限內(nèi)的材料一樣電磁波能在其中傳播，但會(huì)表現(xiàn)出奇特的物理特性。電動(dòng)力學(xué)主要研究了第, 和 象限內(nèi)材料的電磁波傳輸特性，而沒(méi)有談及第象限內(nèi)的材料。1968 年，前蘇聯(lián)物理學(xué)家 Veselago 由麥克斯韋方程及介質(zhì)方程出發(fā)，從理論研究了和同時(shí)為負(fù)的材料的奇特的電磁響應(yīng)行為。首先我們考慮入射波為平面波。平面單色波在各向同性介質(zhì)中傳播時(shí)滿(mǎn)足的麥克斯韋方程組及介質(zhì)方程為 (3-1) (3-2) (3-3) (3-4)將 和 代入麥克斯韋及介質(zhì)方程中可得 (3-5) (3-6)由上式可見(jiàn)，當(dāng)（)時(shí)，電

13、磁波的波矢、電矢量和磁矢量三者構(gòu)成右手關(guān)系；而當(dāng)和同時(shí)小于零時(shí)，三矢量構(gòu)成左手關(guān)系，所以將和同時(shí)為負(fù)的材料稱(chēng)為左手材料（LHMs）。（見(jiàn)圖3.2）。左手材料中的波矢與Poynting矢量的方向相反，即相速度和群速度方向相反。根據(jù)其特性，左手材料也被稱(chēng)為后向傳播波媒質(zhì)、雙負(fù)媒質(zhì)和負(fù)折射媒質(zhì)等。 圖 3.2 右手定則 ， 左手定則假設(shè)一束平面單色波入射到兩介質(zhì)交界面，如圖 3.3 所示，如果給定了兩物質(zhì)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的值，由 Snell 定律： (2-7) 圖3.3(a) 入射光在經(jīng)過(guò)一般介質(zhì)與左手材料接口時(shí)，折射光偏折方向會(huì)與入射光在法線的同一邊。 (b) 以左手材料為材質(zhì)制作的凸透鏡或凹透

14、鏡，分別會(huì)表現(xiàn)出散光或聚光的效果。(c) 平板狀的左手材料，會(huì)有類(lèi)似一般凸透鏡的聚光效果光線 1 由介質(zhì)一入射到介質(zhì)一與介質(zhì)二交界面，對(duì)于常規(guī)材料(介質(zhì)1和2滿(mǎn)足) 反射光線和折射光線方向分別由 2 和 4給出，入射光線和折射光線將分居界面法線兩側(cè)則這種折射為正折射，折射角與物質(zhì)的折射率n有關(guān)。由于Snell定律可由麥克斯韋方程導(dǎo)出，因此折射率n并不是一個(gè)描述物質(zhì)性質(zhì)的新參數(shù)，實(shí)際上它可以寫(xiě)成和的表達(dá)式：對(duì)于常規(guī)材料() 我們都把折射率n取為正根這樣做的主要原因是為了使理論與實(shí)驗(yàn)相吻合，因此，傳統(tǒng)的Snell定律是在假設(shè)二物質(zhì)都為右手性介質(zhì)時(shí)得到的，對(duì)于左手性介質(zhì)是否適用該考慮這樣的情況：如果

15、介質(zhì)一仍然為右手性介質(zhì)() ,介質(zhì)二改為左手性介質(zhì)() 那么光線的折射情況如下：由Maxwell方程可以得到電磁場(chǎng)在介質(zhì)界面上的連續(xù)性條件 , (3-8) , (3-9)即電場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度在界面切線方向連續(xù)，而對(duì)于各向同性媒質(zhì)，電位移矢量，磁感應(yīng)強(qiáng)度 二者在界面法線方向連續(xù)。如圖 3.3 所示，如果我們把介質(zhì)二的和同時(shí)改為負(fù)號(hào),那么由(3-8),(3-9)式可知，電場(chǎng)、磁場(chǎng)的 x、y分量將保持不變，而 z 分量將改變符號(hào)。因此，相對(duì)于情況下的電磁場(chǎng)，當(dāng)把和同時(shí)改為負(fù)號(hào)時(shí)，電場(chǎng)、磁場(chǎng)將按下面的關(guān)系變換： (3-10)由上面的關(guān)系可求得能流密度的方向(由給出)即圖中的 3，而波矢 的方向與 相反

16、，即光線 3 的反方向。此時(shí)折射光線與入射光線位于界面法線同側(cè)，相當(dāng)于折射角為負(fù)值（如圖3.4所示）,我們把這種折射稱(chēng)為光線的負(fù)折射。折射角大小仍由 Snell 定律確定，如果把折射率取為負(fù)值的話(huà)，Snell 定律仍然成立因此左手性介質(zhì)也被稱(chēng)為負(fù)折射率物質(zhì)。圖3.4左手材料與右手材料的反射與折射 4左手材料的奇異特性4.1負(fù)折射效應(yīng)上面已經(jīng)介紹過(guò)了。4.2反常 Doppler 效應(yīng)多普勒效應(yīng)是奧地利的物理學(xué)家多普勒（Doppler，1803-1853）于1842年發(fā)現(xiàn)的。由波動(dòng)理論可知，當(dāng)波源和觀察者互相接近時(shí)，觀察到的振動(dòng)頻率增加；當(dāng)兩者互相遠(yuǎn)離時(shí)，觀察到的振動(dòng)頻率減少，這就是著名的Dopp

17、ler效應(yīng)。一列迎面開(kāi)來(lái)的火車(chē)的笛聲的頻率逐漸增加，音調(diào)變高；反之，笛聲的頻率逐漸減小，音調(diào)變低。但LHMs內(nèi)傳播的波的相速度和群速度方向相反，所以如果二者相向而行，觀察者接收到的頻率會(huì)降低，反之則會(huì)升高，從而出現(xiàn)反常Doppler效應(yīng)。如當(dāng)反射界面相對(duì)于波源后退時(shí)，反射波頻率在普通材料內(nèi)降低，而在LHMs中卻會(huì)升高（如圖4.1所示）。2003年，世界權(quán)威雜志Science期刊報(bào)道了一種可產(chǎn)生反常Doppler效應(yīng)的電子裝置，引起了社會(huì)轟動(dòng)。反常Doppler效應(yīng)的實(shí)現(xiàn)有著廣泛的應(yīng)用前景，如可應(yīng)用于制備體積小、成本低、頻段寬的GHz高頻電磁脈沖發(fā)生裝置。LHMs中的反常Doppler效應(yīng)有望對(duì)

18、該領(lǐng)域產(chǎn)生革命性的影響。若光源發(fā)出頻率 的光，而偵測(cè)器以速度v接近光源時(shí)，在一般介質(zhì)之中偵測(cè)器所接收到的電磁波頻率將比 高，而在左手材料中，則會(huì)收到比低的頻率。圖4.1 一般介質(zhì)與左手材料中Doppler效應(yīng)的比較4.3反常 cherenkov 輻射Cherenkon 輻射是 1934 年蘇聯(lián)物理學(xué)家 Cherenkon 發(fā)現(xiàn)的，在真空中，勻速運(yùn)動(dòng)的帶電粒子不會(huì)輻射電磁波。而當(dāng)帶電粒子在介質(zhì)中勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)在其周?chē)鹫T導(dǎo)電流，從而在其路徑上形成一系列次波源，分別發(fā)出次波。當(dāng)粒子速度超過(guò)介質(zhì)中光速時(shí)，這些次波互相干涉，從而輻射出電磁場(chǎng)，稱(chēng)為 Cherenkov 輻射。正常材料中，干涉后形成的波前

19、，即等相面是一個(gè)錐面。電磁波的能量沿此錐面的法線方向輻射出去，是向前輻射的，形成一個(gè)向后的錐角，即能量輻射的方向與粒子運(yùn)動(dòng)方向夾角。在 Cerenkov 輻射效應(yīng)中，當(dāng)一個(gè)粒子在介質(zhì)中以速度 v 沿一直線運(yùn)動(dòng)，其輻射出的場(chǎng)會(huì)遵循 的形式，波向量 () 的方向會(huì)主要順著v的方向，但方向分量則在一般介質(zhì)與左手材料中恰好會(huì)完全相反，如同4.2（a）所示。電磁輻射對(duì)反射體造成的光壓，在左手材料的環(huán)境之中形成對(duì)反射體的拉曳力，而不是如在一般介質(zhì)中的壓力，如圖4.2（b）所示。 圖4.2 一般介質(zhì)與左手材料中的比較：(a) Cerenkov效應(yīng)；(b) 光壓5.左手材料的實(shí)驗(yàn)制備和研究現(xiàn)狀5.1左手材料的

20、實(shí)驗(yàn)制備 左手材料的人工等效實(shí)現(xiàn)可分為兩類(lèi):一是以Smith教授等人提出的金屬諧振結(jié)構(gòu)8為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)變化;二是以美國(guó)Oliner和加拿大Eleftheriades教授等人提出的左手傳輸線等效電路模型結(jié)構(gòu).目前用以實(shí)現(xiàn)左手材料的主要方法是金屬諧振周期結(jié)構(gòu).圖5.1(a)為該實(shí)驗(yàn)用的一個(gè)單元開(kāi)環(huán)諧振器(CRR)，形狀是圓形，c=0.8 mm, d=0.2 mm, r=1.5 mm，后來(lái)Smith和Shelby對(duì)此進(jìn)行了改造，將 SRR做成正方形，如圖5.1 (b)所示.改進(jìn)后的頻率上升到10.210.8 GHz.當(dāng)有垂直于環(huán)面的磁場(chǎng)振動(dòng)時(shí)，環(huán)內(nèi)產(chǎn)生振蕩電流與電荷，有效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率滿(mǎn)足下式: （

21、4-1） （4-2）其中是電了的等離了體頻率，。是電諧振頻率，當(dāng)頻率位于兩者之問(wèn)時(shí)就會(huì)出現(xiàn)負(fù)介電常數(shù).F為SRR的填充因子，當(dāng)是SRR的諧振頻率,是體系的磁共振頻率，為損耗因了.當(dāng)頻率位于和之間時(shí)，則能產(chǎn)生負(fù)的磁導(dǎo)率.通過(guò)設(shè)計(jì)可使頻率處于既能產(chǎn)生負(fù)介電常數(shù)又能形成負(fù)磁導(dǎo)率的一個(gè)共同區(qū)域內(nèi)，形成雙負(fù)的負(fù)折射率介質(zhì).其樣品如圖5.2所示，首次實(shí)現(xiàn)了左手材料的制備.圖5.1單元開(kāi)環(huán)諧振器圖5.2金屬開(kāi)環(huán)共振器與細(xì)導(dǎo)線的左手人工介質(zhì)在微波領(lǐng)域，基于對(duì)SRR和Rod的完善和變型、改造，研究人員已經(jīng)制備出性能越來(lái)越好的左手材料.2005年，F(xiàn)ang等人報(bào)道了他們的研究成果，用實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證了左手材料的“完美

22、透鏡”現(xiàn)象9;2007年，Zhou制備了樹(shù)枝結(jié)構(gòu)的左手材料10;2008年，Zhan制備出了二維交義S型各向同性左手材料，較非交義S型材料具有更好的左手材料性能11 在紅外波段，浙江大學(xué)的陳紅勝等直接利用S型結(jié)構(gòu)，可以不加金屬導(dǎo)線就實(shí)現(xiàn)負(fù)的折射率12.他們還另辟蹊徑分別研究了將開(kāi)口諧振環(huán)與金屬線集合于一起的“弓”型、“”型、“工”型結(jié)構(gòu)單元13-15，其結(jié)構(gòu)具有帶寬寬、損耗低、易于加工等多種優(yōu)點(diǎn).2007年，Zhao研究設(shè)計(jì)了六邊形SRR，該材料是由準(zhǔn)周期性排列的六邊形單元的銅樹(shù)枝結(jié)構(gòu)和銀膜組成的結(jié)構(gòu)陣列，發(fā)展了雙模板輔助化學(xué)電沉積的方法，制備出多響應(yīng)頻帶、低損耗、大尺寸(13 )光波段左手超

23、材料;樣品在紅外波段1.282.60波長(zhǎng)范圍內(nèi)，出現(xiàn)峰高為11%59%的多頻帶透射通帶譜，具有明顯的平板聚焦效應(yīng).Zhao對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行模擬驗(yàn)證，得到了多頻帶透射通帶和磁導(dǎo)率、介電常數(shù)、折射率同時(shí)為負(fù)的結(jié)果，并對(duì)左手材料中缺陷效應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，取得了一些有意義的結(jié)果16-l75.2左手材料研究現(xiàn)狀LHM 人工實(shí)現(xiàn)后 ,目前主要工作集中在理論深化研究、材料結(jié)構(gòu)探索和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證幾部分。R. Ruppin 對(duì)左手材料中電磁能量和表面極化情況進(jìn)行了分析18,Alexander A. Zharov 等人分析了左手材料的非線性特性19。I. S. Nefedov20及 Ilya V. Shadrivov

24、21等人對(duì)左手材料在波導(dǎo)中的特性進(jìn)行了研究 , Hu Li2angbin22也對(duì)各向異性的左手材料進(jìn)行了理論上的研究 ,使得人們對(duì)左手材料的本質(zhì)及其特性的了解更加深刻 ,對(duì)其實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用也起到了指導(dǎo)作用。電磁波在 L HM 中的傳輸特性一直是研究中的熱點(diǎn)。P. Markos 用傳輸矩陣( TMM) 法23對(duì)左手材料中波的傳輸和吸收特性進(jìn)行了分析。Ekmel24通過(guò)試驗(yàn)指出 ,電磁波通過(guò)試驗(yàn)樣品后 ,在諧振頻帶范圍內(nèi)波傳輸能量的最高值可達(dá)到 - 1.3dB ,平均值也為- 4.5dB，該值比以往報(bào)道的復(fù)合材料的傳輸性都要高 ,說(shuō)明大部分電磁波都進(jìn)入到材料中 ,能量反射很低。Smith根據(jù)左手材料的

25、傳輸和反射特性的仿真和測(cè)量結(jié)果提出了計(jì)算其等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的方法25。在對(duì)LHM 的結(jié)構(gòu)研究上 ,C. D.Moss26、H.Mosallaei27采用 FDTD法對(duì)左手材料進(jìn)行了仿真驗(yàn)證 ,T.Wei2land28、Philippe Gay2Balmaz29及 P. Markos30也通過(guò)仿真討論了 L HM 單元結(jié)構(gòu)尺寸的變化對(duì)材料性能的影響。S.O.Brien 和 J.B.Pendry 對(duì)工作在紅外波段的納米結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)環(huán)和 LHM 進(jìn)行了設(shè)計(jì)31,Jens2en Li32也對(duì)類(lèi)似的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。在一、二維左手材料的相繼實(shí)現(xiàn)后 , Philippe Gay2Balmaz 提出了三維各

26、向同性的 SRR 結(jié)構(gòu)33,Richard W. Ziolkowski 提出在 Rod 和 SRR 結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上加載電容從而構(gòu)成左手材料34。由于光子晶體可以同時(shí)存在正負(fù)兩種折射特性 , Chiyan Luo35和 G. Shvets36認(rèn)為也可以用它來(lái)制備左手材料。新的 研 究 方 法 也 相 應(yīng) 提 出。如 George V.Eleftheriades 提出了傳輸線模型37,他將傳輸線中的電感、電容和電阻與左手材料中的 Rod 和 SRR 相對(duì)應(yīng)。這樣不僅便于分析 L HM 的特性 ,而且可以構(gòu)造具有左手特性的電路38,成為研究過(guò)程中的一個(gè)獨(dú)特領(lǐng)域。6.左手材料的潛在應(yīng)用從左手材料表現(xiàn)出的新

27、穎電磁特性 ,其潛在的應(yīng)用研究也逐漸提上日程。比如左手材料在其特性頻帶范圍內(nèi)對(duì)電磁波有較高的傳輸 ,即實(shí)現(xiàn)電磁波從原來(lái)的禁帶到導(dǎo)帶的轉(zhuǎn)變 ,可以有效地降低特定頻帶范圍的電磁波反射 ,利用這一特性可以應(yīng)用到隱身領(lǐng)域中。另外 Pendry 對(duì)L HM 可制成超級(jí)透鏡進(jìn)行了預(yù)言39。利用左手材料負(fù)折射特性 ,LHM 平板可使點(diǎn)源發(fā)出的波重新匯聚 ,可以進(jìn)行微波鏡像分析 ,如圖 6.1 所示 ,若 A 點(diǎn)放置實(shí)際天線 ,經(jīng)過(guò)左手材料平板在 B 處成像 ,從而相當(dāng)于天線在 B 處輻射一樣 ,在軍事中可以起到隱蔽天線 A 的作用。在微波、光學(xué)等領(lǐng)域也隱含著巨大的應(yīng)用價(jià)值。利用平面波在左手材料中坡印亭矢量與

28、相速相反及與雙正材料分界面處不規(guī)則折射 ,Nader Engheta 提出利用 L HM 制備超薄諧振腔的概念40。他指出 ,對(duì)于左手材料和普通材料構(gòu)成的諧振腔左手材料起了相位補(bǔ)償作用 ,使得諧振頻率和諧振腔厚度無(wú)關(guān)而只與兩種材料的厚度比例有關(guān) ,這樣可以構(gòu)造遠(yuǎn)小于半波長(zhǎng)尺度的超薄諧振腔 ,結(jié)構(gòu)如圖 6.2 所示。圖6.2超薄諧振腔結(jié)構(gòu) : d1 、d2 之比而不是兩者之和成為主要制約因數(shù)圖6.1左手媒質(zhì)做成的透鏡對(duì)光的折射7.結(jié)語(yǔ)左手材料的實(shí)現(xiàn)開(kāi)辟了一個(gè)新的研究領(lǐng)域 ,要對(duì)表現(xiàn)出的新穎電磁特性進(jìn)行解釋 ,理論上需要進(jìn)一步完善。目前研究仍主要集中在微波頻帶 ,以實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和測(cè)量分析為主。現(xiàn)有材料

29、對(duì) 電磁波的響應(yīng)有明顯的各向異性 ,并且存在帶寬窄和損耗大的缺點(diǎn) ,限制了其應(yīng)用范圍。因此設(shè)計(jì)新的結(jié)構(gòu)和對(duì)現(xiàn)有的材料進(jìn)行優(yōu)化將是今后進(jìn)一步研究的主要任務(wù)。左手材料具有獨(dú)特的電磁特性和潛在的應(yīng)用前景,對(duì)于它 的研究開(kāi)創(chuàng) 了一個(gè)全新的領(lǐng)域,隨著左手材料研究的發(fā)展,許多原有的技術(shù)將得到新的發(fā)展和突破。對(duì)左手材料 的研究已經(jīng)成為國(guó)際科學(xué)界關(guān)注 的熱點(diǎn),它吸引了許多科研究者的興趣,未來(lái)左手材料在科技進(jìn)步和工程應(yīng)用上必將發(fā)揮出其巨大的作用。參考文獻(xiàn)1VESELAGO V G. The electrodynamics of substances with simultaneously negative of

30、 and J. Sov Phys Usp，1968（10）：509-514.2PENDRY J B，HOLDEN A J，STEWART W J，et al. Extremely low frequency plasmonsin metallic mesostructures J. Phys RevLett，1996（76）：4773-4776.3PENDRY J B，HOLDEN A J，ROBBINS D J，et al. Low frequency plasmons in thin-wire structuresJ. Phys Condens Matter，1998（10）：4785-4

31、809.4PENDRY J B. Negative refraction makes a perfect lensJ. Phys Rev Lett，2000（85）：3966-3969.5PENDRY J B，HOLDEN A J，ROBBINS D J，et al. Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena J. IEEETrans Microwave Theory Tech，1999（47）：2075-2084.6SMITH D R，WILLIE J，PADILLA D C，et al. Composite med

32、ium with simultaneously negative permeability and permittivityJ.Phys Rev Lett，2000（84）：4184-4187.7PARAZZOLI C G，GREEGOR R B，LI K，et al. Experimental verification and simulation of negative index of refraction usingSnells lawJ. Phys Rev Lett，2003（90）：107401.8HOUCK A A，BROCK J B，CHUANG I L. Experiment

33、al observations of a Left-Handedmaterial that Obeys Snells LawJ. PhysRev Lett，2003（90）：137401.9FANG N，LEE H，SUN C，et al. Sub-diffraction-limited optical imaging with a silver superlensJ. Science，2005（308）：534-537.10ZHOU X，ZHAO X P. Resonant condition of unitary dendritic structure with overlapping n

34、egative permittivity and permeabilityJ. Applied Physics Letters，2007（91）：181908.11ZHANG J J，CHEN H，RAN L，et al. Experimental characterization and cell interactions of a two-dimensionalisotropic left-handed metamaterialJ. Applied Physics Letters，2008（92）：084108.12CHEN H，RAN L，HUANGFU J，et al. Left-ha

35、nded material only composed of S-shape resonator J. Physical Review E，2004（70）：057605.13CHEN H，RAN L，HUANGFU J，et al. Metamaterial exhibiting left-handed properties overmultiple frequency bands J. J ApplPhys Lett，2004（96）：5338.14RAN L，HUANGFU J，CHEN H，et al. Microwave solid-stateleft-handed material

36、 with a broad bandwidth and an ultralow lossJ.Phys Rev B，2004（70）：073102.15ZHOU J F，KOSCHNY T，ZHANG L，et al. Experimental demonstration of negative index of refractionJ. Appl Phys Lett，2006（88）：221103.16ZHAO X P，ZHAO Q，ZHANG F L，et al. Stopband Phenomena in the Passband of Left-Handed Metamaterials

37、J. Chin PhysLett，2006（23）：99.17ZHANG F L，ZHAO Q，LIU Y H，et al. Behaviour of Hexagon Split Ring Resonators and Left-Handed Metamaterials J. ChinPhys Lett，2004（21）：1330.18 Ruppin R. J . Microwave and Optical Technology Let2ters ,2003 ,36(3) :150.19 Zharov A A ,Shadrivov I V ,et al. J . Pyhs Rev Lett ,

38、2003 ,91 :037401.20 Nefedov I S ,Tretyakov S A. J . URSI XXVIIth GeneralAssembly ,2002 ,8 :1074.21 Shadrivov I V ,Kivshar Y S ,et al. J . Phys Rev E ,2004 ,69 :016617.22 Hu Liangbin ,Chui S T. J . Physical Review B ,2002 ,66 :085108.23 Markos P ,Soukoulis C M. J . Phys Rev B ,2001 ,65 :033401.24 Avdin O E ,Bayindir K,et al. J . IEEE Transactions onAntennas and Propagation ,2003 ,51(10) :2592.25 Smith D R ,Schultz S ,Markos P ,et al. J . Phys Rev B ,2002 ,65 :195104.26 Moss C D , Grzegorczyk T M ,Zhang Y,et al. J . Pro2gress in Electromagnetics R