左手材料理论及其应用

左手材料是一种介电常数和磁导率同时为负值的人工材料,这种材料具有负群速度、负折射率、逆多普勒效应和完美成像等多种奇特的物理性质.叙述了左手材料的概念和基本原理,简单回顾了左手材料研究的发展历程,介绍了左手材料的应用及其发展前景.     

左手材料器件的单位单元为LC电路

介质电磁性质的介电常数ε和磁导率μ均为负时,该介质被称为左手材料。实现介质的左手特性需要比电磁波波长还要细小的构成要素。在目前所知道的左手材料中,LC电路经常作为基本的介质构成要素被采用。该电路的静电容量C和电感L为正时,材料整体的ε和μ均为负。LC电路又被称为单位元件,也就是说它的作用相当于普通介质中的原子和分子。当ε和μ都为负时,Maxwell方程式所显示的电磁波电场、磁场方向和波面的行进方向分别与人的左手大拇指、食指及中指相对应,也就是说它呈现的是左手性而非右手性(见图A-3)。左手材料是1999年英国伦敦图A-3…     

浅析铁氧体-左手结构在微波领域中的应用

左手材料具有负介电常数和负磁导率的电磁特性,铁氧体具有负磁导率的电磁特性。因此,铁氧体-左手结构可以设计成负介电常数材料,近年来成为备受关注的研究课题,主要应用于隔离器、滤波器和移相器,在微波系统中具有很大的应用前景。文中介绍了铁氧体-左手结构的基本理论和性能特点,并对其在微波领域中的应用进行了试探性的分析。     

左手材料展望

左手材料（left—handed metamaterials;LHMs）是一种介电常数与磁导率同时为负值的电磁材料，因其中传播的电磁波的电场矢量、磁场矢量以及波矢方向满足左手定则而得名。左手材料概念最初由前苏联物理学家Veselago于1964年提出，他从Maxwell方程出发，分析了电磁波在介电常数和磁导率同时为负介质中传播的状况，从理论上指出这种介质的存在是不违反物理学定律的，并且具有负折射效应、逆多普勒效应、逆切仑科夫辐射、完美透镜。等奇异物理现象。但自然界不存在这种性质特异的物质，故在该理论提出的近30年内左手材料发展几乎处于停滞状态。20世纪90年代，随着人工周期性材料的发展，英国皇家学院院士Pendry教授重新开始了该领域研究。2001年Smith等根据Pendry的理论模型，首次制备出微波段具有负介电常数、负磁导率材料，并通过实验观察到了负折射现象。随后左手材料研究取得重大突破，并被Science杂志评为2003年度十大科技进展之一。     

红外波段左手材料研制获新进展

据科学网报道,西北工业大学理学院应用物理系教授赵晓鹏研究组在红外波段左手材料制备方面的研究日前取得新进展,其研究成果发表于2008年6月出版的《先进材料》(Advanced Materials)上。左手材料是一种介电常数和磁导率同时为负的人工周期性结构材料,由于在其中传播的电磁波的相速度和群速     

余弦高斯光束通过左手平板材料的传输特性

在傍轴近似下,利用广义惠更 斯-菲涅尔衍射积分公式得到了余弦高斯光束通过左手平板材料的传输公式,研究了左手平 板材料的负折射 率与余弦高斯光束的调制参数对光束传输特性的影响。结果表明:余弦高斯光束无论在 左手平板材料 内部传输还是在像空间传输,轴上的最大光强位置是光束聚焦的位置,左手平板材料的负折 射率会改变光 束聚焦的位置;在介质内部,平板材料的负折射率会改变轴上光强分布的形状,但不会改变 像空间轴上的 光强分布形状;无论是在平板材料内部还是像空间,余弦高斯光束的调制参数对轴上与横向 光强都会产生影响。     

各种元器件相继实现降低插入损耗是关键

折射率为负;电磁波的波面和调制信号的行进方向相反;共振模式的波长无限大,共振数却不为零;可利用微波和光的磁场等,这些看似不可能的特性都是左手材料所拥有的。左手材料于1999年被首次发现,2002年电子行业开始关注它,而研究开发则刚刚起步。之所以称它为左手材料,是因为电场、磁场和电磁波的行进方向关系可以用左手的3个手指表示。“meta-material(特异材料)”指的是通过人工设计的微细构造使整个材料的特殊性质显现出来(见图1)。虽然左手材料的研究时间不长,但是很多材料供应商、无线设备厂商以及电机厂商都十分关注这种新型材料。甚至有…     

具有宽带特性的超材料设计与分析*

分别提出具有宽带负磁导率特性的圆盘结构超材料和具有宽带双负特性的互联圆盘结构左手材料。对任意极化的垂直入射波,圆盘结构超材料可在8.71GHz到15.19GHz的频段上产生负的磁导率,而互联圆盘结构左手材料则可在6.04GHz到7.40GHz的频段上产生双负特性。通过有限元仿真、本构参数提取、表面电流分布计算、结构参数扫描等方法,对圆盘结构进行了详细分析。结果表明,该结构通过外加磁场激励起的电流环路构成磁谐振回路,进而获得负磁导率特性。利用无限划分的方法,分析了该结构实现宽带特性的原理,推导了等效的磁谐振频率和品质因数的计算公式,并给出其等效电路结构。通过参数扫描,分析了贴片半径、基板介电常数、损耗特性和入射角大小对负磁导率特性的影响规律。对互联圆盘结构左手材料,在提取其等效本构参数的基础上,着重分析了电响应特性,详细推导了等效电等离子体频率的计算公式。     

E型左手材料

由于E型结构具有产生负磁导率所需的等效电感和等效电容,据此提出一种新型左手材料,用E型SRR来实现负的磁导率,金属线结构来实现负的介电常数。等效模型分析证实这个结构确实能够实现稳定的左手特性。有限元法仿真并用S参数法提取等效介电常数、等效磁导率和折射率,得到样本在11.5～14GHz频段内具有明显的负折射率特性。棱镜折射实验也再次证明了该结构的负折射率特性。     

左手材料各种元器件相继实现降低插入损耗是关键

折射率为负；电磁波的波面和调制信号的行进方向相反；共振模式的波长无限大，共振数却不为零；町利用微波和光的磁场等，这些看似不可能的特性都是左手材料所拥有的。左手材料于1999年被首次发现，2002年电子行业开始关注它，而研究开发则刚刚起步。之所以称它为左手材料，是因为电场、磁场和电磁波的行进方向关系可以用左手的3个手指表示。     

谐振-传输线复合结构左手材料设计

提出了一种谐振-传输线复合结构左手材料单元.该结构基于谐振型左手材料、复合左右手传输线理论设计,可在不同排列方式下产生多种左手特性.基于曙光云计算服务平台,分析了该材料单元结构的谐振特性、单元阵列的传输线特性,并进一步对其谐振特性中的负折射特性进行了仿真验证.实验表明:单一结构单元条件下,该结构可体现出由谐振特性产生的左手频带;在阵列条件下,可同时体现出左右手传输线特性以及谐振型左手特性.该结构的多种左手特性,或可在5.8 GHz频率范围内民用级微波器件领域获得广泛应用.     

基于微带结构的新型混合左右手材料的研究

介绍了一种具有两个通带的新型混合左右手传输线,以及混合左右手材料传输线的传输特性和分析方法。该左手材料(Left-Handed Metamaterials,LHMs)在通带内呈现介电常数和磁导率同时为负的特性,两个通带分别出现在2.8 GHz和5.8 GHz处。通过仿真得到了色散曲线,折射率,等效介电常数和等效磁导率,从理论上验证了左手特性的存在。     

新型结构左手材料的仿真设计与实现

左手材料通过其特殊的结构阵列来实现负的介电常数和磁导率,将之应用到天线罩、滤波器和天线等方面,可以较好地改善特性。2种新型左手材料结构被提出,分别是史密斯方形环的简化形式和P型结构,其中P型结构又包含基本形式与改进形式。针对这2种模型,利用仿真软件进行了仿真设计,发现这2种形式可以在4～6 GHz频段实现负的介电常数和磁导率,其中P型结构实现效果更好。     

关于"负介电常数和负磁导率微波媒质的实验"的两点疑问

人为制造一种具有负介电常数ε和负磁导率μ的媒质,即所谓"负折射率"媒质(或称为"左手媒质"LHM)已成为目前研究的一个热点."中国科学"(G辑)2003年第33卷第5期"负介电常数和负磁导率微波媒质的实验"一文用实验方法验证了该类媒质的存在,在国内尚属首次.纵观全文有两点疑问,有必要提出来以推动该项研究.     

新型电磁材料

左手材料是具有负折射率特征的新型材料。电磁波在这种材料中传播将具有不同寻常的特性。详细的回顾了这种新型人工电磁材料背景、研究进展,并着重介绍了这种材料在微波频段雷达成像,定向天线,隐形等军事领域的应用前景。     

新型三维左手特异材料研制成功

美国科学家利用制造计算机芯片的普通半导体材料,成功开发出一种新型左手“超材料”,它具有负的折射率,能够让光线向与通常相反的方向发生偏折。 传统的金属半导体材料经过微观尺度上的重新排列组合,其性质将发生巨大的变化,形成所谓的左手材料。此前的此类材料大都是在二维层面的排列,由美国普林斯顿大学科学家领导的研究小组首次实现了在三维空间构建“超材料”。     

基于SRR的二阶方环滤波器小型化设计

移动通信的飞速发展为微波元件的小型化提出了更高的要求,左手材料因为其负介电常数和负磁导率的特性而被广泛用于天线和滤波器的小型化设计中,SRR作为左手材料的基本构成,用于设计三种基于其原理的二阶微带带通滤波器。文中滤波器具有依次降低的中心频率,代表滤波器尺寸的缩减。其中具有串联叠层式谐振结构的滤波器尺寸为单层结构滤波器尺寸的11%,表现出较好的小型化效果。仿真与实测结果吻合较好,验证了文中结构的可行性。     

双曲正弦平方高斯光束通过左手平板材料的传输特性

在傍轴近似条件下,基于广义惠更斯-菲涅耳衍射积分公式,推导了双曲正弦平方高斯光束在自由空间、左手平板材料中及通过左手平板材料后的三维光强传输公式,并进行数值计算和分析,探究了双曲正弦平方高斯光束通过左手平板材料的传输特性。研究表明,左手材料对双曲正弦平方高斯光束轴上光强和横向光强分布规律的影响是使光强呈对称分布;材料的负折射率会影响光束轴上光强极大值的位置;轴上光强和横向光强均随传输距离和偏心参数的改变而变化,即双曲正弦平方高斯光束不能保持其传输不变性。实际应用中,可用改变偏心参数的方法在不同位置对光束进行整形。     

不同负相对折射率材料的FDTD分析

负折射率材料的研究已成为近年来科研的热点.电磁波在负材料中的传播特性是研究的首要问题之一.利用一个正常材料包围负折射率材料块的区域模型,根据推广的Snell定理,分析在改变该模型正常材料区域的介电常数对材料交界面相对折射率的影响.通过FDTD法数值模拟了TE模电磁波在该模型区域的场分布.数值比较了改变该模型正常材料的介电常数和磁导率对其相对折射率、成像效果以及成像位置的变化.说明电磁波在不同正常材料包围的负材料块区域中传播,其折射规律仍然符合推广的Snell定理.     

电磁感应负折射率介质的色散性质研究

正左手材料的特殊性质和用途使其一直受到广泛的关注、左手材料的相对电容率εr和相对磁导率μr均为负值,因而具有负的折射率。获得负折射率有多种方法,其中一种方法就是利用原子相干来获得负折射率。但这需要很大的原子密度,因此会带来很大的吸收、电磁感应光透明(EIT)技术的引入使得原子系综的吸收大大降低。折射率n是相对电容率εr和相对磁导率μr两个量相乘的结果,改变其中的任意一个量折射率n也会随之改变,EIT技术的引入使得相对电容率εr可以被改变并使其具有一个很小的虚部,因此折射率n的虚部也会因为EIT的作用而变小。提出的四能级模型中,除了加入一个产生EIT的相干场以外,还加入了一个非相干泵浦场,泵浦场和强相干耦合场都可以对相对磁导率μr的进行调控,使得折射率n的虚部变得更小甚至变成负的。在合适的参数下两个场的共同作用可以使探测光对应的磁偶极跃迁的两个能级实现粒子数反转,从而使相对磁导率μr的虚部变成一个负值、泵浦场的加入并没有破坏EIT结构,因此相对电容率εr依然具有一个很小的虚部。当该磁偶极跃迁能级实现粒子数反转时,相对磁导率μr的虚部变成一个负值,最终可以导致折射率n的虚部也变成一个负值。因此通过对参数的调节,使折射率n的虚部发生变化,因此在原子密度较大的情况下,通过对相对磁导率μr的调节可以在EIT的基础之上对折射率进行再一次的调节。原子介质在泵浦场和拉曼跃迁的共同作用下,可以实现正常色散和反常色散之间的转变,从而实现从慢光到快光的转变,该种结构中起主导作用的是相对电容率εr。而在此模型中泵浦场和耦合场对磁偶极跃迁的调节是比较大的,因此相对磁导率μr会有较大的变化,相对磁导率●的变化最终将引起折射率n的变化。因此可以通过对泵浦场或者耦合场的调节使得相对磁导率μr发生改变继而引起折射率n的变化、通过改变耦合场的大小,使得折射率n在近共振区域实现正常色散和反常色散之间的变化。当耦合场比较小时,对应着反常色散,可以获得快光。而当耦合场比较大时,对应着正常色散,可以获得慢光。因此可以通过对耦合场的调节来实现在左手材料中快光和慢光之间的转换、