電磁超介質(zhì)的電磁學(xué)意義與應(yīng)用前景

電磁超介質(zhì)的電磁學(xué)意義與應(yīng)用前景

0電磁超介質(zhì)的內(nèi)涵近年來，隨著制造技術(shù)的發(fā)展，對磁性介質(zhì)的全球研究已成為世界研究的熱點(diǎn)。電磁超介質(zhì)是一類新型人工電磁材料,其英文定義是“Acompositeorstructuredmaterialthatexhibitspropertiesnotfoundinnaturallyoccurringmaterialsorcompounds”,即“一種具有天然媒質(zhì)所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合媒質(zhì)”。電磁超介質(zhì)的出現(xiàn)給人們在世界觀層面上帶來巨大的沖擊,昭示人們可以在不違背基本物理學(xué)規(guī)律的前提下,人工獲得與自然媒質(zhì)迥然不同的超常物理性質(zhì)的“新媒質(zhì)”。目前廣泛研究的電磁超介質(zhì)主要包括左手材料、復(fù)合左/右手傳輸線、光子晶體等,大多與電、磁、光性質(zhì)相關(guān)聯(lián)。電磁超介質(zhì)是電磁學(xué)理論發(fā)展史上的重要事件,為經(jīng)典電磁理論開辟了嶄新的研究空間,其重大的科學(xué)意義及巨大的應(yīng)用前景對未來衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信、雷達(dá)、武器、微電子、超聲波成像和醫(yī)學(xué)成像等將產(chǎn)生極為重要的影響。1左、右雙邊材料電磁超介質(zhì)的基本設(shè)計(jì)思路是以某種具有特殊功能的人工結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),在傳統(tǒng)的媒質(zhì)材料中嵌入某種幾何結(jié)構(gòu)的單元,構(gòu)造出自然媒質(zhì)所不具有的新型電磁特性。隨著媒質(zhì)制備技術(shù)水平的不斷改進(jìn)與提高,對自然媒質(zhì)各種性質(zhì)和功能的進(jìn)一步發(fā)掘與利用的潛力空間逐漸縮小并趨于極限,電磁超介質(zhì)思想的提出無疑會對新媒質(zhì)的設(shè)計(jì)與開發(fā)帶來新的機(jī)會。“人工材料”最早可追溯到1898年J.C.Chunder進(jìn)行的螺旋結(jié)構(gòu)(手征材料)微波實(shí)驗(yàn)。K.F.Lindman在1914年通過在媒質(zhì)中嵌入隨機(jī)方向的小螺旋線成功構(gòu)造出人工手性媒質(zhì),W.E.Kock則在1948年通過周期性排列球狀、圓盤狀、帶狀的人造媒質(zhì),加工成質(zhì)量輕的微波透鏡。從此,復(fù)雜人工媒質(zhì)的研究引起了世界科研工作者的廣泛關(guān)注?！半姶懦橘|(zhì)”術(shù)語的出現(xiàn)與一類被稱為“左手材料”的媒質(zhì)息息相關(guān),狹義的“Metamaterial”往往指的就是這類材料。左手材料是一類在一定的頻段下同時(shí)具有負(fù)磁導(dǎo)率和負(fù)介電常數(shù)的材料(對電磁波的傳播形成負(fù)的折射率)。左手材料是V.G.Veselago在1968年系統(tǒng)提出的,V.G.Veselago預(yù)測了左手材料中傳播的電磁波相位的傳播方向與能量的傳播方向相反,而且當(dāng)折射率為負(fù)值時(shí),波矢量方向與能量方向相反,E、H、k形成左手規(guī)則,這就是V.G.Veselago預(yù)測的左手材料(Left-HandedMaterial,LHM)。近年來,左手材料引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注,如左手材料被美國《Science》雜志評為2003年的十大科技突破之一,2006年基于左手材料思想設(shè)計(jì)的梯度超介質(zhì)實(shí)現(xiàn)電磁波隱形又被美國《Science》雜志評為年度十大科技突破之一,2007年世界上最大的出版公司Elsevier發(fā)行了新期刊《Metamaterials》。另一類電磁超介質(zhì)是復(fù)合左/右手傳輸線,T.Itoh等從傳輸線理論角度,提出重構(gòu)電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)左手特性的理論和實(shí)驗(yàn)。因此在某種意義上,復(fù)合左/右手傳輸線是左手材料的微帶線實(shí)現(xiàn)形式。由于傳輸線結(jié)構(gòu)本身具有損耗低的特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)上的連續(xù)性,使得復(fù)合左/右手傳輸線在帶寬和損耗方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過由負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率結(jié)構(gòu)復(fù)合而成的左手材料,目前已經(jīng)研制出復(fù)合左/右手傳輸線濾波器、耦合器等許多微波器件。光子晶體也是一類電磁超介質(zhì),光子晶體是一種介電常數(shù)隨空間周期性變化的新型光學(xué)微結(jié)構(gòu)材料。1999年,光子晶體被美國《Science》雜志評為年度九大科學(xué)成果之一。光子晶體也是1999年和2007年世界科技領(lǐng)域的六大熱點(diǎn)之一。光子在光子晶體中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與電子在晶體中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律類似,同時(shí)光子晶體具有類似于半導(dǎo)體的光子能帶和光子帶隙結(jié)。由于在布里淵區(qū)邊界附近存在著強(qiáng)烈的非線性色散關(guān)系,可以通過改變光子晶體介電常數(shù)和幾何因素來實(shí)現(xiàn)負(fù)折射現(xiàn)象,并已經(jīng)從理論上或?qū)嶒?yàn)上得到驗(yàn)證。光子帶隙是光子晶體最根本的特征,落在禁帶中的光是被禁止傳播的。通過設(shè)計(jì)光子帶隙結(jié)構(gòu),人們可以獲得自然媒質(zhì)所不具有的光功能。但如果將左手材料定義為介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)小于零的材料,那么光子晶體就不屬于左手材料(由于其不能用等效介質(zhì)理論來處理,因而不能定義等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率)。盡管如此,左手材料的負(fù)折射、反向波、完美透鏡等許多現(xiàn)象在光子晶體中也能實(shí)現(xiàn)。目前,光子晶體的有源和無源光學(xué)器件模型得到了深入的研究,并且已經(jīng)有部分光子晶體產(chǎn)品問世,如光子晶體光纖、低閾值激光振蕩器、微波天線等。在其他材料如金屬鐵磁體、手性媒質(zhì)、鐵介質(zhì)線、顆粒介質(zhì)中,研究人員也發(fā)現(xiàn)了負(fù)折射現(xiàn)象。從作者個(gè)人的觀點(diǎn)看,左手材料、復(fù)合左/右手傳輸線和光子晶體雖然同屬電磁超介質(zhì)范疇,但各自所涉及的物理機(jī)理大相徑庭?！褡笫植牧系幕疚锢頇C(jī)理是等效介質(zhì)理論。當(dāng)構(gòu)成左手材料的基本諧振單元相互之間的距離相對波長很短時(shí),大量的單元呈現(xiàn)整體的電磁效應(yīng),在該情況下可以定義等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率來描述電磁波的總體運(yùn)動(dòng)情況?！駨?fù)合左/右手傳輸線的基本物理機(jī)理是集總傳輸線理論。其色散曲線存在帶隙和負(fù)的斜率。復(fù)合左/右手傳輸線器件的工作機(jī)理是后向波傳播特性,電磁特性相對單一,但一些學(xué)者認(rèn)為其不是一種“等效介質(zhì)”?！窆庾泳w的基本物理機(jī)理是Bloch波理論。光子晶體是由周期性的、且尺度約為二分之一波長的結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成。因此從這個(gè)意義上講,光子晶體不能稱作“等效介質(zhì)”。綜上所述,左手材料、復(fù)合左/右手傳輸線和光子晶體的根本區(qū)別在于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的周期尺度不同導(dǎo)致各自不同的物理機(jī)理。2左、左材料研究自1968年以來,電磁超介質(zhì)的研究大致經(jīng)歷了3個(gè)階段:第一階段:起步階段電磁超介質(zhì)研究第一階段的標(biāo)志性成果是D.R.Smith等人的“棱鏡實(shí)驗(yàn)”,首次從實(shí)驗(yàn)上證明了左手材料的存在。1968年,前蘇聯(lián)科學(xué)家V.G.Veselago研究了介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)值的各向同性左手材料中電磁波的傳播特性,預(yù)測了一系列不同尋常的物理現(xiàn)象:電場、磁場和波矢服從左手定則、坡印亭矢量與波矢相反、逆斯涅爾折射、逆多普勒效應(yīng)、逆契侖可夫輻射效應(yīng)等。許多科學(xué)家都把左手材料的榮譽(yù)歸功于V.G.Veselago,其實(shí)早在1957年,D.V.Sivukhin就研究過左手材料的特性,并且V.G.Veselago、D.V.Sivukhin、G.D.Malyuzhinets、R.A.Silin都把最先研究這類媒質(zhì)的榮譽(yù)歸功于更早的L.I.Mandelshtam。在1904年,L.I.Mandelshtam則在H.Lamb工作的基礎(chǔ)上,討論了負(fù)折射和后向波理論及其實(shí)現(xiàn)問題。H.Lamb可能是最早意識到后向波存在的科學(xué)家。但因?yàn)樽匀唤缰袥]有發(fā)現(xiàn)左手材料,故Veselago的研究結(jié)果在上個(gè)世紀(jì)一直沒有得到深入的研究。在1996~1999年間,J.B.Pendry等相繼構(gòu)造出了由周期性排列的細(xì)金屬棒(Rod)陣列和金屬諧振環(huán)(SRR,Split-RingResonator)組成的人造媒質(zhì),其等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率在微波波段分別為負(fù)。D.R.Smith等根據(jù)J.B.Pendry模型,將Rod和SRR有規(guī)律地排列在一起,制成了世界上第一塊等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)值的人造媒質(zhì)——左手材料,其頻率范圍為4.2GHz~4.6GHz。2001年,D.R.Smith等又成功制作出X頻段的左手材料,并通過實(shí)驗(yàn)證明了電磁波斜入射到左手材料和常規(guī)介質(zhì)分界面時(shí),折射波的方向與入射波的方向處在分界面法線的同側(cè),首次從實(shí)驗(yàn)上證明了左手材料的存在。第二階段:爭議階段自2001年D.R.Smith等證明了左手材料的存在后,左手材料迅速成為物理學(xué)界和電磁學(xué)界研究的熱點(diǎn)。國內(nèi)外關(guān)于左手材料的理論和實(shí)驗(yàn)研究十分活躍、深入,出現(xiàn)了許多新的成果。J.B.Pendry提出了完美透鏡的概念,指出左手材料可以用于放大或恢復(fù)倏逝波。當(dāng)倏逝波透過左手材料平板時(shí)其幅度不是衰減而是放大的,因而透過左手材料平板透鏡聚焦成的像包含傳播波和倏逝波,像的分辨率要高于波長尺度的限制,比傳統(tǒng)透鏡成像更加完美。J.A.Kong從理論上分析了電磁波在包含左手材料的多層介質(zhì)中的傳播情況,為采用左手材料構(gòu)造多層介質(zhì)的應(yīng)用提供了基礎(chǔ),并研究了高斯波束在左手材料平板中的附加位移現(xiàn)象。左手材料的研究過程也不是一帆風(fēng)順的,在早期研究中,有人持反對意見。2002年P(guān).M.Valanju等發(fā)表文章質(zhì)疑左手材料的存在,認(rèn)為左手材料的存在違反了因果定律和群速不可能超過光速這兩個(gè)物理量的限制,推導(dǎo)出在常規(guī)介質(zhì)與左手材料交界面處,群速度的方向只可能朝正方向折射。隨即有不同的研究小組作出反駁,J.A.Kong等指出,P.M.Valanju誤把波的干涉形成的干涉波紋前進(jìn)方向當(dāng)成是能量傳播的方向,而能量傳播的方向應(yīng)該是通過計(jì)算各處的坡印廷矢量的方向來決定,并推導(dǎo)出坡印廷矢量方向確實(shí)朝負(fù)方向折射。J.B.Pendry等也從群速的原始定義出發(fā),得出群速是沿負(fù)方向折射的。R.W.Ziolkowski通過時(shí)域仿真發(fā)現(xiàn)電磁波在左手材料中的傳播特性符合因果定律,電磁波束入射到常規(guī)介質(zhì)/左手材料交界面時(shí)將經(jīng)歷很長的延時(shí)才向折射角為負(fù)的方向折射。電磁超介質(zhì)領(lǐng)域另一個(gè)爭論的熱點(diǎn)是關(guān)于完美透鏡的理論,最先由J.B.Pendry提出。J.B.Pendry指出ε=-ε0、μ=-μ0的左手材料平板將對點(diǎn)源成一個(gè)完美的像。但N.Garcia指出完美透鏡在理論上不可能存在,因?yàn)檫@需要產(chǎn)生無窮大的能量。N.Garcia的結(jié)論又被G.Gomez-Santos所反駁,G.Gomez-Santos在分析完美成像中引入時(shí)間量程的概念,消除了N.Garcia的分歧。盡管爭論還沒有得出最終的結(jié)論,但許多研究人員已經(jīng)開始關(guān)注一些更現(xiàn)實(shí)的問題,如色散、損耗、有限尺度等各種因素對完美成像的影響。與理論爭論相對應(yīng)的是一些學(xué)者對驗(yàn)證左手材料負(fù)折射現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)提出了質(zhì)疑。P.M.Valanju聲稱R.A.Shelby等觀測到的負(fù)折射現(xiàn)象只是近場衍射的效應(yīng)。N.Garcia認(rèn)為左手材料的損耗被低估了,在考慮損耗的情況下棱鏡實(shí)驗(yàn)測到的現(xiàn)象將很難區(qū)分是由負(fù)折射率引起的還是由高損耗引起的。M.Sanz等通過一個(gè)高損耗的、正折射率的媒質(zhì)重復(fù)了棱鏡實(shí)驗(yàn),在負(fù)方向檢測到了比正方向大的功率。為了反駁這些質(zhì)疑,C.G.Parazzoli等通過自由空間中測量左手材料棱鏡的折射現(xiàn)象證實(shí)了Smith結(jié)構(gòu)(SRR/Rod結(jié)構(gòu))左手材料的負(fù)折射率特性;A.A.Houck和冉立新等分別在平板波導(dǎo)中成功地重復(fù)了R.A.Shelby的實(shí)驗(yàn)結(jié)果;根據(jù)高斯波束在多層左手材料平板中的傳播特性,浙江大學(xué)研究人員還實(shí)現(xiàn)了高斯波束位移實(shí)驗(yàn)、T型波導(dǎo)實(shí)驗(yàn)、等效參數(shù)提取實(shí)驗(yàn)等,進(jìn)一步驗(yàn)證了左手材料的負(fù)折射率特性。C.Caloz等通過其他測量方法確認(rèn)左手材料的“負(fù)折射現(xiàn)象”。C.G.Parazzoli等在遠(yuǎn)區(qū)場測量的結(jié)果也反駁了P.M.Valanju聲稱負(fù)折射現(xiàn)象是近場衍射效應(yīng)的論斷。到目前為止,有關(guān)左手材料是否存在的爭論已經(jīng)結(jié)束,越來越多的理論研究以及實(shí)驗(yàn)進(jìn)展都充分表明左手材料是確實(shí)存在的。第三階段:深入研究階段近幾年,電磁超介質(zhì)在理論和實(shí)驗(yàn)上都取得了突破,在多個(gè)波段(微波、毫米波、太赫茲、光波等)對左手材料等電磁超介質(zhì)進(jìn)行了各種研究。左手材料等電磁超介質(zhì)的提出突破了傳統(tǒng)電磁場理論中的一些重要概念,深入研究的成果將在許多領(lǐng)域中有重大的應(yīng)用。電磁超介質(zhì)深入研究階段的主要內(nèi)容如下:(1)左、中功能演化研究關(guān)于左手材料基本特性的理論研究也非常多,但主要集中在由于負(fù)折射率特性引起的一系列電磁學(xué)問題及其傳輸特性,比如相速、群速及能流變化問題、Goos-H?anchen位移問題、負(fù)折射現(xiàn)象、負(fù)能量問題、導(dǎo)波模式問題、非線性效應(yīng)、Cerenkov輻射、負(fù)色散特性、能量匯聚、表面波抑制等。R.Ruppin對左手材料中電磁能量和表面極化進(jìn)行了分析。A.A.Zharov等對左手材料非線性特性進(jìn)行了分析。C.D.Moss、H.Mosallaei等分別采用FDTD法對左手材料進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。C.G.Du等提出了量子左手材料。P.P.Markos等采用傳輸矩陣法仿真了左手材料的傳輸、反射、損耗特性。D.R.Smith等提出了基于左手材料的傳輸和反射特性的仿真和測量結(jié)果計(jì)算等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的方法。I.S.Nefedov等對左手材料在波導(dǎo)中的特性進(jìn)行了分析。L.B.Hu對各向異性左手材料的特性進(jìn)行了理論研究。X.X.Cheng等討論了修改的S結(jié)構(gòu)左手材料的交叉極化效應(yīng)。左手材料的理論研究加深了人們對左手材料本質(zhì)及其特性的理解,對左手材料的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用也起到了重要的指導(dǎo)作用。F.Hirtenfelder等利用時(shí)域法對光子晶體進(jìn)行了分析,計(jì)算了光子晶體功能參數(shù)。光子晶體的光子遂穿效應(yīng)、表面波抑制、負(fù)折射現(xiàn)象、亞波長成像、激光器、三維光聚焦、透鏡/非近場成像、高阻表面、帶隙結(jié)構(gòu)及相關(guān)問題,也得到了深入的研究。(2)特殊結(jié)構(gòu)手征介質(zhì)的結(jié)構(gòu)材料左手材料的構(gòu)造、設(shè)計(jì)和加工是左手材料研究的重要內(nèi)容之一,性能(低損耗、寬頻帶、固態(tài)的、均勻各向同性)良好的左手材料結(jié)構(gòu)是各國科研工作者的目標(biāo)。K.Li等通過優(yōu)化Smith結(jié)構(gòu)單元設(shè)計(jì)出了損耗系數(shù)只有-1.2dB/cm的左手材料。在左手材料實(shí)現(xiàn)形式方面,目前大部分樣品是由印有金屬圖案的電路板排列成蜂窩狀或者中空的層狀結(jié)構(gòu),樣品易碎不實(shí)用,遠(yuǎn)沒有達(dá)到介質(zhì)的要求。浙江大學(xué)研究人員采用熱壓技術(shù)實(shí)現(xiàn)了全固態(tài)左手材料,通過增加周期單元之間的耦合程度,設(shè)計(jì)出了雙S結(jié)構(gòu)左手材料,其帶寬達(dá)到37.5%。D.X.Wang等人提出了單邊S結(jié)構(gòu)左手材料。在均勻性方面,Y.Guo等設(shè)計(jì)了λ/24尺度的左手材料結(jié)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面,J.B.Pentry還提出了利用手征物質(zhì)實(shí)現(xiàn)左手材料的方法。P.Markos等通過仿真討論了左手材料單元結(jié)構(gòu)尺寸的變化對介質(zhì)性能的影響。S.O.Brien等構(gòu)造出了工作在紅外波段的納米結(jié)構(gòu)的對稱環(huán)SRR結(jié)構(gòu)左手材料,J.Li等也對類似結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。P.Gay-Balmaz等提出了三維各向同性的SRR結(jié)構(gòu)左手材料。R.W.Ziolkowski提出了加載電容的Smith結(jié)構(gòu)左手材料。F.J.Rachford對SRR結(jié)構(gòu)加以改進(jìn),J.D.Baena提出了由螺旋諧振器構(gòu)造磁介質(zhì)的方法,C.R.Simovski基于Ω結(jié)構(gòu)的手征介質(zhì)提出了各向同性的左手材料。F.Falcone等根據(jù)巴比涅(Babinet)原理設(shè)計(jì)互補(bǔ)型諧振環(huán)左手材料,P.Liang等利用介質(zhì)諧振器構(gòu)造出了左手材料,Q.Zhao等利用絲狀液晶構(gòu)造出磁導(dǎo)率可調(diào)的左手材料,C.W.Qiu等人通過磁電耦合提出了一種構(gòu)造左手材料的思路,M.Kafesaki等構(gòu)造出Fishnet結(jié)構(gòu)左手材料,I.Bulu等構(gòu)造出迷宮結(jié)構(gòu)左手材料可以減小各向異性。最近的一些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究也引起了一定的關(guān)注,例如可控(有源)左手材料、低損耗的超導(dǎo)左手材料和電場耦合諧振器等。G.V.Eleftheriades提出了左手材料的傳輸線模型,將Smith結(jié)構(gòu)左手材料對應(yīng)傳輸線電路中的電感、電容和電阻構(gòu)成的模型,不僅便于分析左手材料的特性,而且構(gòu)造出左手特性電路,C.Caloz等提出了復(fù)合左/右手傳輸線,M.Gil等提出了諧振型復(fù)合左/右手傳輸線、可調(diào)復(fù)合左/右手傳輸線。G.V.Eleftheriades等通過加載電容和電感陣列構(gòu)造了二維傳輸線結(jié)構(gòu)的左手特性電路,并測量到了點(diǎn)源聚焦等現(xiàn)象,并構(gòu)造出一維結(jié)構(gòu)的具有左手特性的共面波導(dǎo)天線,觀察到了后向波輻射現(xiàn)象。M.Gil提出了寬頻帶復(fù)合左/右手傳輸線,G.V.Eleftheriades提出了雙頻段和四頻段復(fù)合左/右手傳輸線。S.Lao等基于諧振槽耦合腔電路構(gòu)造出了左手傳輸線。P.V.Parimi等利用光子晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行棱鏡折射實(shí)驗(yàn),觀察到了負(fù)折射現(xiàn)象。C.Y.Luo等提出由光子晶體而不是Smith結(jié)構(gòu)來構(gòu)造電磁超介質(zhì),指出其可以同時(shí)存在正負(fù)兩種折射特性,C.Luo等指出由其可以產(chǎn)生逆切侖科夫輻射。負(fù)折射效應(yīng)出現(xiàn)在光子帶隙中有非常重要的意義。2003年,光子晶體負(fù)折射現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相繼在《Nature》上報(bào)道,E.Cubukcu等在微波波段證明了光子晶體的負(fù)折射特性,H.Kosaka首先在實(shí)驗(yàn)上觀察到光波頻段光子晶體的負(fù)折射現(xiàn)象。Makhnovskiy從理論上提出在納米結(jié)構(gòu)上構(gòu)造的雙線結(jié)構(gòu),可以在紅外和光頻段實(shí)現(xiàn)負(fù)折射現(xiàn)象。隨著微加工技術(shù)的發(fā)展,制造出可見光范圍的光子晶體在不久的將來成為可能。(3)左、微觀結(jié)構(gòu)材料的實(shí)驗(yàn)研究左手材料自其提出以來一直是一種假說,在D.R.Smith等將其實(shí)現(xiàn)以后才迎來了這個(gè)領(lǐng)域的研究熱潮,因此左手材料的實(shí)驗(yàn)研究是十分重要的。R.A.Shelby等提出了棱鏡折射實(shí)驗(yàn)的裝置,在平行板波導(dǎo)中通過實(shí)驗(yàn)在X波段首次觀察到了負(fù)折射現(xiàn)象。C.Caloz等提出在T形波導(dǎo)中放置45°傾斜面的左手材料,通過其通帶特性的S參數(shù)可以驗(yàn)證左手材料的負(fù)折射特性。C.G.Parazzoli等將左手材料放置在開放空間中進(jìn)行測量,采用喇叭口天線發(fā)射和接收電磁波信號,通過棱鏡折射實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了負(fù)折射現(xiàn)象。A.A.Houck等構(gòu)造了能夠在兩維方向上測量電磁波平面分布狀況的實(shí)驗(yàn)裝置,測量到左手材料前后一個(gè)區(qū)域內(nèi)的電磁波束的能量分布狀況,通過棱鏡折射實(shí)驗(yàn)觀察到了明顯的負(fù)折射波束和一個(gè)點(diǎn)源透過左手材料平板后的能量匯聚的現(xiàn)象,證明了左手材料平板聚焦的可能性。K.Aydin等從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了自由空間中左手材料的反射特性。浙江大學(xué)研究人員提出了高斯波束位移實(shí)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了C.Caloz等提出的T型波導(dǎo)實(shí)驗(yàn)。A.N.Lagarkov等提出了近似完美透鏡實(shí)驗(yàn),采用J.D.Baena等提出的單層螺旋狀Smith結(jié)構(gòu)左手材料對兩個(gè)天線進(jìn)行聚焦實(shí)驗(yàn),在小于一個(gè)波長的尺度內(nèi)分辨出了兩個(gè)天線的像。左手材料實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的另一個(gè)熱點(diǎn)是“隧道”(Tunneling)效應(yīng)。J.D.Baena等在填充左手材料的矩形波導(dǎo)中觀察到電磁波的“隧道”效應(yīng),該效應(yīng)是由波導(dǎo)中填充左手材料對倏逝波的放大作用引起的,并在實(shí)驗(yàn)上以類似方法產(chǎn)生和測量到了放大的倏逝波。C.T.Chan等實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了兩塊相同的高介電平板(不透明)放在負(fù)介電常數(shù)(不透明)的平板兩側(cè),在界面上激發(fā)的強(qiáng)磁場可以實(shí)現(xiàn)電磁波的完全透射;而利用該種電磁波的“隧道”效應(yīng)和負(fù)折射效應(yīng),次波長金屬網(wǎng)格(不透明)夾在兩個(gè)相同的SRR陣列之間,在SRR結(jié)構(gòu)諧振頻率附近的頻段上,電磁波的透射也會增強(qiáng)。Bogdan-loanPopa等通過左手材料內(nèi)部場的直接測量驗(yàn)證了左手材料中能量方向和相速度方向相反的特征,并直接測量驗(yàn)證了無源左手材料中的倏逝波放大的特性。M.C.K.Wiltshire等通過瑞士環(huán)(SwissRoll)結(jié)構(gòu)左手材料實(shí)現(xiàn)了磁場的近場成像。(4)利用左、右邊形貌提高輻射效率由于電磁超介質(zhì)的特殊性質(zhì),專家預(yù)測它將在高指向性天線、雷達(dá)、聚焦微波波束、電磁波隱形、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。隨著左手材料性能的提高,左手材料應(yīng)用也成為了一個(gè)研究熱點(diǎn)。左手材料的完美成像效應(yīng)除了用作光學(xué)成像外,還可用來擴(kuò)充存儲容量、天線隱形等。M.C.KWiltshire等指出瑞士環(huán)結(jié)構(gòu)左手材料特別適于射頻微波器件的應(yīng)用?；谧笫植牧洗嬖谡凵渎式咏诹愕念l段,可以提高天線的定向輻射能力,如將全向天線放在均勻左手材料中,在折射率接近于零的頻率天線輻射的電磁波束在進(jìn)入空氣后將沿法線方向折射,使天線具有很強(qiáng)的定向輻射能力。R.W.Ziolkowski等發(fā)現(xiàn)基于左手材料的相位補(bǔ)償原理可以改變天線的匹配負(fù)載,提高天線輻射效率,而且通過很薄的左手材料將電小天線包