1、本科毕业设计（20届）电磁波在左手材料中的传输特性所在学院专业班级应用物理学生姓名学号指导教师职称完成日期年月I摘要【摘要】左手材料就是拥有负的电解常数和负磁导率的新型材料，电磁波在这种材料中传播具有不同寻常的性质。为更深的理解左手材料性质本文从理论上严格推导了左手材料所具有的奇异性质，如负折射率、逆多普勒效应、逆CERENKOV辐射、负GOOSHANCHEN位移和BRAGGREGIME带移。以及简要介绍这种新型人工材料背景和最近几年的国内外研究进展。【关键词】左手材料；负介电常数；负磁导率；研究进展ABSTRACT【ABSTRACT】LEFTHANDEDMATERIALISTOHAVEANE
2、GATIVEELECTROLYSISANDNEGATIVEPERMEABILITYCONSTANTSOFNEWMATERIALS,ELECTROMAGNETICWAVEPROPAGATIONINTHEMATERIALWITHUNUSUALPROPERTIESLEFTHANDEDMATERIALSFORTHEDEEPERUNDERSTANDINGOFTHENATUREOFTHISTHEORYISDERIVEDSTRICTLYLEFTHANDEDMATERIALSWITHSINGULARPROPERTIES,SUCHASNEGATIVEREFRACTION,INVERSEDOPPLEREFFECT
3、,INVERSECERENKOVRADIATION,NEGATIVEGOOSHANCHENDISPLACEMENTANDTHEBRAGGREGIMEWITHTHESHIFTANDBRIEFBACKGROUNDOFTHISNEWTYPEOFARTIFICIALMATERIALANDTHERESEARCHPROGRESSINRECENTYEARS【KEYWORDS】RADIATIONCHARACTERISTICSOFELECTROMAGNETICWAVESINALEFTHANDEDMATERIAII目录摘要IABSTRACTI目录II1引言111基本电磁特性22左手材料的奇异特性521能流的方向和
4、波矢方向相反522反常折射523逆DOPPLER效应624反常的CERENKOV效应与光压73成果及展望831实验研究进展及其成果832展望结语10参考文献11致谢错误未定义书签。11引言近年来，人们对一种名叫左手材料的新兴材料表现出很大的兴趣。左手材料在一些微波频段范围内能表现出负折射率，同时具有负的有效电介电常数和磁导率。而自然界不存在同时具有负折射率和负磁导率的材料，因此，左手材料是一种人工复合材料1。VESELAGO首先在1967年预言了左手材料存在的可能性，并从麦克斯韦方程组推导并分析了这种材料的一些不同寻常的物理性质，如相位和群速度方向相反，逆转斯奈尔定律（负折射）和逆多普勒频移等
5、，为此还在前苏联一个学术刊物上发表了一篇论文，报道了他的这些新发现。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。左手材料的研究现状与发展趋势1左手负折射率材料国内外研究现状1968年VESELAGO从理论上提出了左手材料的概念。所谓左手材料是指对电磁波响应的介电常数和磁导率，在同一频段同时为负的材料，即电磁波在这种材料中传播时它的电场E矢量、磁场B矢量和波矢K服从左手定则，自然界中很少或没有这样的介质。在左手材料中，电磁波的群速度和相速度方向相反，导致左手材料中存在反常SNEU定律即负折射效应、反常CH
6、ERENKOV效应和反常DOPPLER效应3等一系列与人们熟悉的现象相反的奇特效应。2000年SMITH利用分裂双环谐振器SRR结构，首次在微波波段5GM获得了人工结构的负折射材料，在正文会详细提到。英国科学家PENDRY提出了利用负折射材料实现“超透镜”的设想，进一步激发了对负折射率材料研究的兴趣。2003年12月19日美国科学杂志将左手材料列为当年的十大科技进展之一4。近几年取得重要的进展，概括起来有以下两个方面1负折射率材料的研究沿着PCNARY的SRR思路，设计不同的环状结构，以提高负折射的频率范围。利用电磁波与微结构金属环路形成共振，实现负介电常数和负磁导率，以英国IMPERIALC
7、OLLEGE的PENDRY和UCSD的SMITH研究组为代表。目前，已取得的重要进展是将负折射的频率提高到了红外的波段达到100吁IZ和200IZ。利用光子晶体，通过强散射实现光波群速度的负折射。主要的进展是利用光子晶体负折射效应实现了微波及红外波段的平面透镜成像，研究机构以LVLLT和IOWA州立大学为代表。微结构晶体的方案离子型声子晶体是一类由铁电、压电材料构成的，具有压电系数周期性调制的人工微结构材料。在压电超晶格中，通过人工控制的微结构实现了材料在设定频段微波和远红外波段的电磁波响应具有负的介电常数。最近，又进一步发展了压电超晶格材料，设计了压电，压磁超晶格。由于压电和压磁材料构成的超
8、晶格既能够实现电磁波的电场和压电超晶格的耦合，又能够实现电磁波的磁场与压磁超晶格振动耦合，因此，可以通过人工设计，在同一频段同时实现负的介电常数和2负的磁导率。这一结果为设计和实现负折射材料探索了一条新的途径。南京大学开拓了这方面的工作。利用局域电磁共振是形成左手材料的另一个重要机制。与光子晶体中的BRAGG机制比较，局域共振机制不要求周期结构的晶格常数要与能隙的电磁波波长相比拟，而且对无序和缺陷不敏感。同济大学、香港科技大学在局域共振机制形成左手材料方面已取得具有特色的研究成果。2左手材料物理效应的研究超透镜效应，由于具有负折射效应，因而可以通过左手材料平板实现光波的聚焦和成像，而不像通常的
9、材料使用凸透镜。由于具有负的折射率，使得通常材料中高频衰减波能够在左手材料中传播，因而突破了通常材料的衍射极限，实现亚波长分辨率成像。探索各种波动现象中的负折射，例如声波、水波的负折射效应。复旦大学在水波负折射现象的探索中进行了开拓性的研究，香港科技大学、武汉大学、北京师范大学和南京大学在声波负折射研究中取得了进展。探索其他物理效应的研究如反常CHERENKOV效应和反常DOPPLER效应。2左手材料发展趋势1寻找负折射率材料探索、寻找在微波、远红外、通信波段，甚至可见光波段的负折射率材料左手材料。主要目标是尽量拓宽负折射发生的频率范围；尽量降低损耗光子晶体具有优势和寻找各向异性的左手材5。2
10、探索和验证负折射率材料中奇特的物理效应目前，最引人注目的是“超透镜”现象的研究。最近UCBERKELEY的张翔小组在这方面的研究中取得了重要进展。他们一方面在实验上证实了金属薄膜如AG薄膜可以作为光频段的左手材料；另一方面，验证了负折射的“超透镜”效应；其次，为纳米器件的制备和应用提供了一种新的方法和原理。综上所述，可以看到，目前取得的重要进展和受到广泛关注的仍是负折射效应和PENARY在此基础上提出的“超透镜”效应。其他的方面，反常DOPPLER效应和反常CHERENKOV效应等其他效应的研究还非常少。11基本电磁特性电磁场的理论研究的里程碑进程，是英国物理学家麦克斯韦在19世纪建立的描述电
11、磁场的基本方程组,1845年，关于电磁现象的三个最基本的实验定律库仑定律（1785年），安培毕奥萨伐尔定律（1820年），法拉第定律（18311845年）已被总结出来，法拉第的“电力线”和“磁力线”概念已发展成“电磁场概念”。场概念的产生，也有麦克斯韦的一份功劳，这是当时物理学中一个伟大的创举，因为正是场概念的出现，使当时许多物理学家得以从牛顿“超距观念”的束缚中摆脱出来，普遍地接受了电磁作用和引力作用都是“近距作用”的思想。1855年至1865年，麦克斯韦在全面地审视了库仑定律、安培毕奥萨伐尔定律和法拉第定律的基础上，把数学分析方法带进了电磁学的研究领域，由此导致麦克斯韦电磁理论的诞生。方程
12、组的微分形式，通常称为麦克斯韦方程。在麦克斯韦方程组中，电场和磁场已经成为一个不可分割的整体。该方程组系统而完整地概括了电磁场的基本规律，并预言了电磁波的存在。麦克斯韦提出的涡旋电场和位移电流假说的核心思想是变化的磁场可以激发涡旋电场，变化的电场可以激发涡旋磁场；电场和磁场不是彼此孤立的，它们相互联系、相互激发组成一个统一的电磁场。3麦克斯韦进一步将电场和磁场的所有规律综合起来，建立了完整的电磁场理论体系。这个电磁场理论体系的核心就是麦克斯韦方程组。在经典电动力学中，对于无损耗、各向同性、空间均匀介质的自由空间，MAXWELL方程组为TBE/1TDH/20B30D4EDHB，（本文中的表示取函
13、数梯度的算子）（1）描述了电场的性质。在一般情况下，电场可以是库仑电场也可以是变化磁场激发的感应电场，而感应电场是涡旋场，它的电位移线是闭合的，对封闭曲面的通量无贡献。（2）描述了磁场的性质。磁场可以由传导电流激发，也可以由变化电场的位移电流所激发，它们的磁场都是涡旋场，磁感应线都是闭合线，对封闭曲面的通量无贡献。（3）描述了变化的磁场激发电场的规律。（4）描述了变化的电场激发磁场的规律。经典场论是19世纪后期麦克斯韦在总结电磁学三大实验定律并把它与力学模型进行类比的基础上创立起来的。但麦克斯韦的主要功绩恰恰是他能够跳出经典力学框架的束缚在物理上以“场“而不是以“力“作为基本的研究对象，在数学
14、上引入了有别于经典数学的矢量偏微分运算符。这两条是发现电磁波方程的基础。这就是说，实际上麦克斯韦的工作已经冲破经典物理学和经典数学的框架，只是由于当时的历史条件，人们仍然只能从牛顿的经典数学和力学的框架去理解电磁场理论。现代数学，H空间中的数学分析是在19世纪与20世纪之交的时候才出现的。而量子力学的物质波的概念则在更晚的时候才被发现，特别是对于现代数学与量子物理学之间的不可分割的数理逻辑联系至今也还没有完全被人们所理解和接受。从麦克斯韦建立电磁场理论到现在，人们一直以欧氏空间中的经典数学作为求解麦克斯韦方程组的基本方法。正玄时变电磁波的波动方程为56；其中N代表折射率，C是真空中光速。自然界
15、中物质的介电常数和磁导率一般都与电磁波频率有关，如果不考虑任何能量的损耗，在正常的介质中，介电常数和磁导率以及折射率在大多数情况下都为正数，此时方程5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4MAXWELL方组能推出平面单色电磁波方程为7以及89磁波是横波，波的相位传播矢量K和电矢量E和磁矢量H相互垂直，并且K、E、H之间满足右手螺旋关系。这种常规的介质就被称为“右手材料”RIGHTHANDEDMATERIALS。如果介质的介电常数和磁导率两者之间一个为正数而另一个为负数，则K0，即方程1无波动解，电磁波不能在其中传播。如果介质的介电常数和磁导率都小于零，方程1有
16、波动解，电磁波能在其中传播。显然K、E、H之间不再满足右手螺旋关系而是满足左手螺旋关系6。如图1表示，这种介质就被称为“左手材料”LEFTHANDEDMATERIALS52左手材料的奇异特性21能流的方向和波矢方向相反电磁波能流的方向即群速的方向，取决于玻印廷矢量S的方向，在正常材料中S和K它的方向代表电磁波相速的方向总是相同的，即相速和群速方向是一致的而玻印廷矢量S10即E、H、S始终构成右手螺旋关系。但在左手材料中，S和K这两个方向却正好相反，因此左手材料叉被称为“负群速度NEGATIVEGROUPVELOCITY材料”。如图1所示。由于左手材料中K和S的方向相反7。K取负值。K为负数，介
17、质的折射率N也为负数，所以这种介质也被称为“负折射率物质”NEGATIVEINDEXOFREFRACTIONMATERIAL。22反常折射在左手材料中，电磁波的相速度和群速度方向相反，从而呈现出许多新颖的光学特性。电磁波从常规介质射向左手介质时，在界面处满足MAXWELL方程的边界条件，折射光仍然满足SNELL定律11又因为12所以2应取负角度，因此折射光偏折方向会与入射光在法线的同侧。如图2A所示。根据左手材料这个特性，人们设想出理想的透镜如图2B以左手材料为材质制作的凸透镜或凹透镜，分别会表现出散光或聚光的效果。C平板状的左手材料，会有类似一般凸透镜的聚光效果。负折射介质的一个重要应用是透
18、镜成像8。理论和实验均表明，所制备的准晶光子平板结构确实能够对从点光源发出的电磁波起会聚和成像作用。而且，所成的像可在近场区域之外，像距随物距的增大而线性增大，这些特征和一个理想的折射率为1的介质平板的折射和成像行为十分吻合，6充分表明了所制备的准晶光子结构具有优良的负折射性质。由于所用的电介质材料无吸收，可以预计，所研究的结构可以直截了当地推广到更加感兴趣的可见光和红外波段区域。上述的结果已经发表在6月24日的PHYSICALREVIEWLETTERS上VOL94,247402,2005。从图中我们可以大致看出，当光线经过材料时，光线不是直接穿透而过的，而是从它的周围绕行而过，视觉上会让人感
19、觉不到或者说看不见它的存在一般。目前，研究人员正在深入探索这些准晶光子结构出现负折射效应的深层次的物理根源。视觉隐身的原理实际上是引导光波等“转向”，或者是说引导光波“弯曲”。人之所以能看到物体，是因为物体阻挡了光波通过，如果有一种材料涂在物体表面，能引着被物体阻挡的光波“绕着走”，那么光线就似乎没有受到任何阻挡，在观察者看来，物体就似乎变得“不存在”了，就好像电影哈里波特中的魔法，物体在被这种材料“罩住”后，没有人能够看见它，就好像不在同一个时空一样。23逆DOPPLER效应多普勒效应指出，波在波源移向观察者时接收频率变高，而在波源远离观察者时接收频率变低。当观察者移动时也能得到同样的结论。
20、但是由于缺少实验设备，多普勒当时没有用实验验证、几年后有人请一队小号手在平板车上演奏，再请训练有素的音乐家用耳朵来辨别音调的变化，以验证该效应。假设原有波源的波长为，波速为C，观察者移动速度为V7当观察者走近波源时观察到的波源频率为（VC）/，如果观察者远离波源，则观察到的波源频率为（VC）/。若光源发出频率0的光，而侦测器以速度接近光源时，在一般介质之中侦测器所接收到的电磁波频率将比0高，而在左手材料中，因为能量传播的方向和相位传播的方向正好相反，所以如果二者相向而行，观察者接收到的频率会降低，则会收到比0低的频率，反之则会升高，从而出现逆DOPPLER频。见图324反常的CERENKOV效
21、应与光压在左手材料中，相速与群速方向正好相反的另个推论就是反常CERENKOV辐射2。一般来说，电子做匀速直线运动时不辐射电磁波。因为辐射项中总有速度对时间的导数，即加速度。加速度为零时，辐射为零。电子辐射场的计算公式是通过电子场的级数分解得到的，其中辐射最主要的项是偶极辐射项，它与加速度成正比，那么辐射能量就与加速度的平方成正比。电子做圆周运动是加速运动，也符合上述情况。匀速运动的带电粒子不产生辐射电磁波，而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，从而在其路径上形成一系列次波源，分别发出次波。当粒子速度超过介质中光速时，这些次波互相干涉，从而辐射出电磁波，称为CERENKOV辐射
22、。在CERENKOV辐射效应中，干涉后形成的波前，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，即能量辐射的方向与粒子运动方向夹角，满足下式COSC/NV（13）其中V是粒子运动的速度，而在负群速度介质中，能量的传播方向与相速相反，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。电磁辐射对反射体造成的光压，在左手材料形成对反射体的拉曳力负光压，而不是如在一般介质中的压力。见图483成果及展望31实验研究进展及其成果1996到1999年间，JBPENDRY等相继构造出了周期性排列的细金属棒阵列和金属谐振环组成的人造媒介，其等效介电常数和
23、等效磁导率在微波段分别为负。DRSMITH等根据其模型将金属棒阵列和金属谐振环有规律的排列在一起，制成了世界上第一块等效介电常数和等效磁导率都为负的人造媒介左手材料，其频谱范围在42GHZ46GHZ，如下图所示。2001年SMITLI等物理学家，实现了这种构想。研制出左手材料，并通过实验观察列微波的负忻射现象。实验结果如图L51所示，实线和虚线分别代表左手材料和同样形状的聚氟乙烯。首次在实验上证明了左手材料的存在如图154。9自DRSMITH证明了左手材料的存在，左手材料迅速成为电磁学领域乃至整个物理学界的研究热点，但引发的争论不断。直到CGPARAZZOLI等通过空间中测量左手材料棱镜的折射
24、现象证实了SMITH结构左手材料的负折射率特性，AAHOUCK和冉立新等分别在平板波导中成功的复制了RASHELBY的实验结果，浙江大学的研究人员还实现了高斯波束位移实验、T型波导实验、等效参数提取实验等，进一步验证了左手材料的负折射率特性10，越来越多的实验进展都充分表明左手材料是确实存在的，有关的是否存在的争议已经结束。近几年，左手材料在实验上取得了突破，在多个波段（微波、毫米波、太赫兹、光波等）进行了研究。在结构设计方面，KLI等通过优化SMITH结构单元设计出了损耗系数只有负12DB/CM的左手材料。在实现形式方面，目前大部分样品是由印有金属的电路板排列成蜂窝状或者中空的层状结构，这种
25、结构易碎不实用，远没有达到介质的要求。浙江大学的研究人员采用热压技术实现了全固态左手材料，通过增加周期单元之间的耦合程度，设计出了双S结构左手材料，其带宽达到375。DXWANG等提出了单边S结构左手材料。在均匀性方面，YGUO等设计了二十四分之一波长尺度的左手材料结构。实验验证方面，RASHELBY等提出了棱镜折射实验装置，在平行板波导中通过实验在X波段首次观察到了负折射现象。CCALOZ等提出在T形波导中放置45度倾斜面的左手材料，通过其通带特性的S参数可以验证左手材料的负折射特性。CGPARAZZOLI等将左手材料放置在开放空间中进行测量，采用喇叭口天线发射和接收电磁波信号，通过棱镜折射
26、实验证实了折射现象。AAHOUCK等构造了能够在两维方向上测量电磁波平面分布状况的实验装置，测量到左手材料前后一个区域内的电磁波束的能量分布状况，通过棱镜折射实验观察到了明显的负折射波束和一个点源透过左手材10料平板后的能量汇聚的现象，证明了左手材料平板聚焦的可能性。KAYDIN等从实验上验证了自由空间中左手材料的反射特性。值得一提的是，浙江大学研究人员提出高斯波束位移实验，实现了CCALOZ等提出的T型波导实验。ANLAGARKOV等提出了近似完美透镜实验，采用JDBAENA等提出的单层螺旋状SMITH结构左手材料对两个天线进行聚焦实验，在小于一个波长的尺度内分辨出了两个天线的像。在研究成果
27、的应用上，MCKWILTSHIRE等指出瑞士环结构左手材料特别适合射频微波器件的应用。基于左手材料存在折射率接近于零的频段，可以提高天线的定向辐射能力。如将全向天线放在均匀左手材料中，在折射率接近于零的频率天线辐射的电磁波束在进入空气中后将沿法线方向折射，使得天线具有很强的定向辐射能力。RWZIOLKOWSKI等发现基于左手材料的相位补偿原理可以改变天线的匹配负载，提高天线辐射效率，而且通过很薄的左手材料将小天线包围起来，使小天线的辐射阻抗由容性向感性转变，这相当于天线和空间之间增加匹配网络，通过适当的设计可以增大天线的辐射效率并减小阻抗。NENGTETA等提出超薄谐振腔的设计，指出由左手材料
28、和常规介质构成的谐振腔，其谐振频率只与两种介质的厚度比有关，与总厚度无关9。由此可实现尺度远小于一个波长的超薄谐振器。其还基于二维平面左手材料在某些频段内会出现高阻抗表面的特性，提出一种对电磁波有较强吸收的超薄材料设计思路11。AALU等提出亚波长左手材料漏波天线。CYCHENG等提出了色散补偿特性，复合左右手传输线的部分补偿特性已经被实验证实，实现全部色散特性的补偿也是可能的。复合左右手传输线应用的研究也很多，基于复合左右手传输线的宽频带WILKINSON巴伦、裂缝环谐振器、互补性裂缝环谐振器以及其构成的带通滤波器、宽频带带通选择滤波器、E类功效、超带宽微型滤波器、漏波天线、微型贴片天线、T
29、型功分器、移相器、数字QPSK接收机、共面波导器件、宽频带微型3DB耦合器、任意耦合度的耦合器、同轴波导、高效率谐波发生器等也得到了深入的研究12。MMAKSIMOVIC等发现光子晶体能够改善普朗克源的发射和吸收性能，这在提高滤波器的性能方面很有价值【13】。一些研究人员发现嵌入式一维光子晶体1415的分形或周期性的无源滤波器，其性能得到改善。ZJAKSIC等人利用光子晶体提出了有源光学滤波器16。JGARCIA等提出了超宽带滤波器、单片波导滤波器、高指向性天线、TEM波导等。32展望结语自SMITH于2001年首次在实验室成功证明了左手材料的存在以来。此后的十年里，成果不断1718。其最诱人
30、的前景在于源于它的制造实现。2004年月，俄罗斯莫斯科理论与应用电磁学研究所的物理学家宣布他们研制成功一种具有超级分辨率的镜片。事实上，负折射的前景已经使得物理学家重新检验了整个电磁理论，一些基本的光学现象在负折射物质出现后又有了意想不到的新变化。尽管将左手材料从实验室转化成实用技术乃困难重重，还有很长的路要走。最需要克服的还是11左手材料的结构设计和生产成本的控制上。不过，活跃在这个领域的世界知名的高校以及实验室的研究团队，正不遗余力的接受这些挑战。参考文献1张世鸿，陈良，徐彬彬，邓龙江，电子技术大学，微电子与固体电子学院，四川，成都。中图分类号TM27文献标识码A文章编号10019731（
31、2006）0100012郭光灿，夏云杰，气体CERENKOV辐射的量子理论，物理学报，文献标识码CNKISUNWLXB01988080133PENDRYJB,HOLEDNAJ,STEWARTWJ,ETALJPYHSREVLETT,1996,762547734ECUBUKCU，KAYDIN，PHYSREVLETT91,20740120035沈陆发，王子华，各向异性色散左手材料平面波导的导模特性，第七期，20106JOURNALOFMAGNETISMANDMAGNETICMATERIALS3235,PP6076107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。科学通报，2005
32、，第六期8含左手材料的四层平面波导TM模的传输特性，沈陆发王子华。半导体光电，2010，第二期9不同厚度有耗左手材料板中的电磁波研究，林振梁昌洪。强激光与粒子束，2006第六期10DUALBANDSOFNEGATIVEREFRACTIVEINDEXESINTHEPLANARLEFTHANDEDMETAMATERIALS，JOURNALOFMAGNETISMANDMAGNETICMATERIALS,OLUME323,ISSUE5,MARCH2011,PAGES607610DOI101016/JJMMM20101002311理想导体前单层吸波材料的设计综合，崔铁军梁昌洪。西部电子，1991第四期1
33、2新型人工电磁材料探讨，崔铁军。国际学术动态，2009第三期13中国研制成功隐形涂料科技广场,第3期,200314刘亚红罗春荣赵晓鹏，微波左手材料及其应用前景。功能材料，文献标识码CNKISUNGNCL020060300015新型电介质METAMATERIALS特异材料与光子晶体材料张冶文,四川大学学报自然科学版,第S1期,200516超材料METAMATERIALS在电子元件中的应用周济,电子元件与材料,第9期,200817左手介质材料的研究进展与应用前景（续）李守卫，张保民，王卫清,电子材料与电子技术,第4期,200618左手介质材料的研究进展与应用前景李守卫，张保民，王卫清,电子材料与电子技术,第3期,2006
