電磁波在左手材料中的傳輸特性【開題報(bào)告+文獻(xiàn)綜述+畢業(yè)論文】

1、<p><b>　　畢業(yè)論文開題報(bào)告</b></p><p><b>　　應(yīng)用物理</b></p><p>　　電磁波在左手材料中的傳輸特性</p><p>　　一、選題的背景與意義</p><p>　　近幾十年來，物理學(xué)在先進(jìn)材料領(lǐng)域的研究發(fā)展取得了巨大的不可思議的令人歡慶鼓舞的成就，如

2、果在幾十年前你很難想象哈利波特里才有的隱形衣材料在理論上已經(jīng)發(fā)展成熟并且實(shí)驗(yàn)室里已經(jīng)能初步有了實(shí)物雛形。這就是在近十年間橫空出世掀起研究狂潮的一種具有不可思議性能的人工復(fù)合材料，俗稱左手材料。</p><p>　　左手材料的研究要追溯到上世紀(jì)60年代前蘇聯(lián)科學(xué)家的假想。</p><p>　　物理學(xué)中，介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ是描述均勻媒質(zhì)中電磁場性質(zhì)的最基本的兩個(gè)物理量。在已知的物質(zhì)世界中，對

3、于電介質(zhì)而言，介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ都為正值，電場、磁場和波矢三者構(gòu)成右手關(guān)系,這樣的物質(zhì)被稱為右手材料(right-handed materials,RHM)。這種右手規(guī)則一直以來被認(rèn)為是物質(zhì)世界的常規(guī)，但這一常規(guī)卻在上世紀(jì)60年代開始遭遇顛覆性的挑戰(zhàn)。1967年，前蘇聯(lián)物理學(xué)家Veselago在前蘇聯(lián)一個(gè)學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表了一篇論文，首次報(bào)道了他在理論研究中對物質(zhì)電磁學(xué)性質(zhì)的新發(fā)現(xiàn)，即：當(dāng)ε和μ都為負(fù)值時(shí)，電場、磁場和波矢之間構(gòu)成左手關(guān)系

4、。他稱這種假想的物質(zhì)為左手材料(left-handed materials,LHM)，同時(shí)指出，電磁波在左手材料中的行為與在右手材料中相反，比如光的負(fù)折射、負(fù)的切連科夫效應(yīng)、反多普勒效應(yīng)等等。</p><p>　　然而左手材料的研究發(fā)展并不一帆風(fēng)順。在這一具有顛覆性的概念被提出后的三十年里，盡管它有很多新奇的性質(zhì)，但由于只是停留在理論上，而在自然界中并未發(fā)現(xiàn)實(shí)際的左手材料，所以，這一怪誕的假設(shè)并沒有立刻被人接受，

5、而是處于幾乎無人理睬的境地，直到時(shí)光將近本世紀(jì)時(shí)才開始出現(xiàn)轉(zhuǎn)機(jī)。直至1998~1999年英國科學(xué)家Pendry等人提出了一種巧妙的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)負(fù)的介電系數(shù)與負(fù)的磁導(dǎo)率，從此以后，人們開始對這種材料投入了越來越多的興趣。2001年的突破，使左手材料的研究在世界上漸漸呈現(xiàn)旋風(fēng)之勢。</p><p>　　2001年，美國加州大學(xué)San Diego分校的David Smith等物理學(xué)家根據(jù)Pendry等人的建議，利用

6、以銅為主的復(fù)合材料首次制造出在微波波段具有負(fù)介電常數(shù)、負(fù)磁導(dǎo)率的物質(zhì)，他們使一束微波射入銅環(huán)和銅線構(gòu)成的人工介質(zhì)，微波以負(fù)角度偏轉(zhuǎn)，從而證明了左手材料的存在。</p><p>　　此后至今的十年間，研究成果層出不窮。但仍有未待解決的難題。</p><p>　　其一，阻抗匹配和吸收損耗問題導(dǎo)致光學(xué)頻段的左手材料和復(fù)合左／右手傳輸線的構(gòu)造是電磁超介質(zhì)研究的難點(diǎn)之一。金屬在光頻段的特性類似等離子

7、體，但與光頻段的導(dǎo)體(磁性“消失”)不同，使得由金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)成的電磁超介質(zhì)很難移植到光頻段，而且金屬結(jié)構(gòu)電介質(zhì)的光學(xué)波長數(shù)量級尺寸也為電磁超介質(zhì)單元結(jié)構(gòu)的制作提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。不幸的是，至今尚未有實(shí)現(xiàn)非金屬結(jié)構(gòu)電磁超介質(zhì)的報(bào)道。</p><p>　　其二，大多左手材料實(shí)驗(yàn)基本上是在微波波段進(jìn)行的。隨著左手材料研究的不斷深入，其工作頻段日益朝太赫茲頻段、紅外頻段、甚至光頻段發(fā)展，結(jié)構(gòu)尺寸日益朝小型化發(fā)展。目前，由于沒

8、有研制出能讓太赫茲電磁波有效反射、折射、聚焦和成像的設(shè)備，這方面技術(shù)過去一直沒有得到實(shí)質(zhì)性的發(fā)展。</p><p><b>　　意義。</b></p><p>　　研究左手材料的意義之重大不言而喻，首先在其應(yīng)用性能上就無比令人振奮的，2004年，俄羅斯莫斯科理論與應(yīng)用電磁學(xué)研究所的物理學(xué)家宣布他們研制成功一種具有超級分辨率的鏡片，但是他們的技術(shù)要求被觀察的物體幾乎接觸

9、到鏡片，這一前提使其在實(shí)際應(yīng)用中難以操作。同年，加拿大多倫多大學(xué)的科學(xué)家制造出一種左手鏡片，其工作原理與具有微波波長的射線有關(guān)，這種射線在電磁波頻譜中的位置緊鄰無線電波。2009年初，美國杜克大學(xué)和中國東南大學(xué)合作，最近成功研制出微波段新型“隱形衣”，這一研究成果發(fā)表在年初出版的《科學(xué)》雜志上。</p><p>　　另外，還在研究中的太赫茲段的左手材料（遠(yuǎn)紅外射線，頻率在0.1THz到10THz，波長在0.03到

10、3mm范圍，介于微波與紅外之間）是一個(gè)備受關(guān)注的領(lǐng)域，太赫茲電磁波介于紅外與微波之間，具有較強(qiáng)穿透能力，又不對人體造成傷害，在軍事、反恐、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景，可用于新型雷達(dá)、全天候?qū)Ш皆O(shè)備、遠(yuǎn)距離發(fā)現(xiàn)衣物內(nèi)隱藏武器的探測儀器、質(zhì)量檢測設(shè)備、醫(yī)學(xué)成像等，其應(yīng)用于通訊系統(tǒng)以及資料儲存媒介的設(shè)計(jì)上，用來制造更小的移動電話或者是容量更大的儲存媒體；等效的負(fù)折射媒質(zhì)電路可以有效減少器件的尺寸，拓寬頻帶，改善器件的性能等等。</

11、p><p>　　一旦左手材料研究成果進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用階段，對于人類設(shè)計(jì)新型功能材料的提供全新的廣闊的空間，將對生物學(xué)等科研領(lǐng)域帶來重大變化，這對于研究病毒入侵細(xì)胞的機(jī)制、新藥篩選等都會產(chǎn)生重大影響。</p><p>　　二、研究的基本內(nèi)容與擬解決的主要問題</p><p><b>　　研究的基本內(nèi)容：</b></p><p>　

12、　1左手材料的概念及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　2左手材料表面電磁波的反射特性</p><p>　　3左手材料介質(zhì)中電磁波傳播特性</p><p><b>　　4前景及相關(guān)應(yīng)用</b></p><p>　　擬要解決的主要問題：</p><p>　　1前階段能夠清楚的描述左手材料的概念、國內(nèi)

13、外研究現(xiàn)狀及電磁波在左手材料中的傳輸特性。（必須做到的要求）</p><p>　　2在前階段掌握較好的情況下爭取能夠展望未來的應(yīng)用前景或者利用左手材料的特異性設(shè)計(jì)相關(guān)產(chǎn)品。</p><p>　　三、研究的方法與技術(shù)路線</p><p>　　1通過查閱大量的國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)。</p><p>　　2結(jié)合本科階段所學(xué)的學(xué)科知識，主要是電動力學(xué)，原子

14、物理，量子力學(xué)以及材料科學(xué)相關(guān)的書籍研讀精讀已有的國內(nèi)外具有重要參考價(jià)值的論文文獻(xiàn)。</p><p>　　3通過自覺專研及向同學(xué)導(dǎo)師求教討論的方式掌握電磁波在左手材料中傳播及反射的特性理論。</p><p>　　4最后還要自己整理綜合各方面的文獻(xiàn)內(nèi)容及相關(guān)知識完成最后的答辯定稿。</p><p>　　四、研究的總體安排與進(jìn)度</p><p>

15、　　1月1日—— 1月31日 通過閱讀大量文獻(xiàn)，完成對左手材料概念性能深刻理解，對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀有全方面認(rèn)識。</p><p>　　2月1日——2月28日 通過對已有相關(guān)知識的重新學(xué)習(xí)結(jié)合已閱讀文獻(xiàn)基本掌握電磁波在左手材料中傳播及反射的特性理論以及做好后階段應(yīng)用前景或者左手材料特異性能設(shè)計(jì)產(chǎn)品。</p><p>　　3月1日——4月4日 完成初稿</p><p>　

16、　4月5日——4月29日 定稿</p><p>　　4月30日——5月4日 答辯</p><p><b>　　五、主要參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　1．Huanyang Chen, Jack Ng, C. W. Jeffrey Lee, Yun Lai, and C. T. Chan，General transformation for

17、 the reduced invisibility cloak, Phys. Rev. B 80, 085112 (2009)</p><p>　　2. Mauro Cuevas and Ricardo A. Depine, Radiation Characteristics of Electromagnetic Eigenmodes at the Corrugated Interface of a Left-H

18、anded Material, Phys. Rev. Lett. 103, 097401 (2009).</p><p>　　3. 田秀勞, 左手材料的奇異特性, 西安郵電學(xué)院學(xué)報(bào), 3期（2 0 0 6）131。</p><p>　　4．吳聞迪， 召兵，吳福全，李杰斌，左手材料和負(fù)折射，曲 阜 師 范 大 學(xué) 學(xué) 報(bào)，1期（2009）60。</p><p>　　

19、5．晏伯武，左手材料的設(shè)計(jì)和研究進(jìn)展，兵器材料科學(xué)與工程, 32期(2009) 94.</p><p>　　6. 李瑞蓮, 左手材料的電磁特性, 人工晶體學(xué)報(bào), 2期（2008）316.</p><p>　　7. 岑 潔萍，石剛 ，樊莉 ，葉曉山，劉擁軍，左手材料表面的電磁波反射特性，揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報(bào)，4期（2009）22.</p><p>　　8. 蔣練軍，熊翠秀，金

20、輝霞，左——右手系材料界面上的表面波，湖南城市學(xué)院學(xué)報(bào)，2期（2009）48.</p><p>　　9. 田秀勞，光波在左手材料中的菲涅爾公式和布儒斯特定律，光子學(xué)報(bào)，7期（2006）34.</p><p>　　10. 張正仁， 隆正文，電磁波在左手材料中傳播形成橢球和球形的色散關(guān)系，貴州大學(xué)學(xué)報(bào)，3期（2009）。</p><p><b>　　畢業(yè)論文文

21、獻(xiàn)綜述</b></p><p><b>　　應(yīng)用物理</b></p><p>　　電磁波在左手材料中的傳輸特性</p><p>　　過去二十年，一種被稱為“左手材料”的人工復(fù)合材料在固體物理、材料科學(xué)、光學(xué)和應(yīng)用電磁學(xué)領(lǐng)域內(nèi)開始獲得愈來愈廣泛的青睞，對其的研究正呈現(xiàn)迅速發(fā)展之勢，而它的出現(xiàn)卻是源于上世紀(jì)60年代前蘇聯(lián)科學(xué)家的假想。&

22、lt;/p><p><b>　　LHM概念的提出</b></p><p>　　1964年前蘇聯(lián)科學(xué)家V.G.Veslago教授從Maxwell方程出發(fā)，分析了電磁波在擁有負(fù)磁導(dǎo)率和負(fù)電介常數(shù)的材料中傳播的情況，對其進(jìn)行了闡述，如負(fù)的切連科夫效應(yīng)、反斯涅耳定律、反多普勒效應(yīng)等等。電磁波在傳播時(shí)相速和群速方向相反，E、H、K三矢量之間呈現(xiàn)左手法則，與電磁波在傳統(tǒng)材料（E、H、

23、K三矢量之間呈現(xiàn)右手法則）中傳播情況恰好相反，他定義該種材料為LHM材料。由于當(dāng)時(shí)在自然界和實(shí)驗(yàn)室中未能找到這種材料，因此負(fù)折射率的問題并未引起大家的關(guān)注。在Veslago之后的幾十年內(nèi)，很少有關(guān)于負(fù)折射率問題的進(jìn)一步報(bào)道?！?】</p><p>　　電磁波在左手材料傳播特性</p><p>　　理論上麥克斯韋方程允許介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都取負(fù)值，因此，麥克斯韋方程對于左手材料仍適用。對于單色

24、平面波，麥克斯韋方程組可以寫成如下：</p><p>　　對于右手材料，由前兩式可知，電場E，磁場H，波矢k三者之間構(gòu)成右手關(guān)系，而在左手介質(zhì)中，波矢k三者之間構(gòu)成左手關(guān)系。波矢k代表了相位傳播方向，而能流傳播方向S=E×H，代表了群速度。易判斷波矢方向和能流方向相反。即相速度和群速度方向相反。</p><p>　　逆Doppler頻移</p><p>　

25、　聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，波源和觀察者如果發(fā)生相對運(yùn)動，會出現(xiàn)Doppler效應(yīng)。但是，在左手材料中，相速度和群速方向恰好相反，當(dāng)波源和觀察者相向而行時(shí)，觀察者接收到的頻率會降低，反之，則會提高。從而出現(xiàn)逆Doppler頻移。</p><p>　　反常Cerenkov輻射【2】</p><p>　　反常Cerenkov輻射電動力學(xué)告訴我們，在真空中，勻速運(yùn)動的帶電粒子不會輻射電磁波，而當(dāng)帶電粒

26、子在介質(zhì)中做勻速運(yùn)動時(shí)，會在其周圍引起誘導(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)粒子速度超過介質(zhì)中光速時(shí)，這些次波互相干涉，從而輻射出電磁波，這被稱之為Cerenkov輻射。在右手材料中，干涉后形成的波前，即等相位面是一個(gè)錐面，電磁波能量沿此錐面的法線方向輻射出去，形成一個(gè)向后的錐角，如圖l—5—3(a)所示。</p><p>　　國內(nèi)外研究現(xiàn)狀【3,4】</p><p>

27、　　在1998~1999年，英國科學(xué)家Pendry等人在1998~1999年提出了一種巧妙的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)負(fù)的介電系數(shù)與負(fù)的磁導(dǎo)率。</p><p>　　2001年，美國加州大學(xué)San Diego分校的David Smith等物理學(xué)家根據(jù)Pendry等人的建議，利用以銅為主的復(fù)合材料首次制造出在微波波段具有負(fù)介電常數(shù)、負(fù)磁導(dǎo)率的物質(zhì)，他們使一束微波射入銅環(huán)和銅線構(gòu)成的人工介質(zhì)，微波以負(fù)角度偏轉(zhuǎn)，從而證明了左手材

28、料的存在。</p><p>　　2002年7月，瑞士ETHZ實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們宣布制造出三維的左手材料，這將可能對電子通訊業(yè)產(chǎn)生重大影響，相關(guān)研究成果也發(fā)表在當(dāng)月的美國《應(yīng)用物理快報(bào)》上。</p><p>　　2003年是左手材料研究獲得多項(xiàng)突破的一年。美國西雅圖 Boeing Phantom Works 的C. Parazzoli 與加拿大University of Toronto電機(jī)系的

29、G. Eleftheriades所領(lǐng)導(dǎo)的兩組研究人員在實(shí)驗(yàn)中直接觀測到了負(fù)折射定律；Iowa State University的S. Foteinopoulou也發(fā)表了利用光子晶體做為介質(zhì)的左手物質(zhì)理論仿真結(jié)果；美國麻省理工學(xué)院的E.Cubukcu 和K.Aydin 在《自然》【6】雜志發(fā)表文章，描述了電磁波在兩維光子晶體中的負(fù)折射現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)結(jié)果?；诳茖W(xué)家們的多項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，左手材料的研制赫然進(jìn)入了美國《科學(xué)》雜志評出的2003年度全球十大

30、科學(xué)進(jìn)展，引起全球矚目。</p><p>　　2004年，國際學(xué)術(shù)界開始出現(xiàn)上海科學(xué)家的身影?！?73”光子晶體項(xiàng)目首席科學(xué)家、復(fù)旦大學(xué)的資劍教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組經(jīng)過兩年的研究與巧妙設(shè)計(jì)，利用水的表面波散射成功實(shí)現(xiàn)了左手介質(zhì)超平面成像實(shí)驗(yàn)【7，10】，論文發(fā)表于著名的《美國物理評論》雜志上，即刻引起學(xué)術(shù)界的高度關(guān)注，被推薦作為《自然》雜志焦點(diǎn)新聞之一。同濟(jì)大學(xué)波耳固體物理研究所以陳鴻教授為首的研究小組從2001年開

31、始對左手材料展開研究，經(jīng)過兩年的研究，在基礎(chǔ)理論和材料的制備與表征方面取得了重大進(jìn)展，成果在國際物理學(xué)著名刊物上發(fā)表。2004年在國際微波與毫米波技術(shù)大會上作大會報(bào)告，并將在2005年日本召開的國際微波與光學(xué)技術(shù)研討會上作邀請報(bào)告【8,9】。</p><p>　　2009年初，美國杜克大學(xué)和中國東南大學(xué)合作，最近成功研制出微波段新型“隱形衣”，這一研究成果發(fā)表在年初出版的《科學(xué)》雜志上。 作為東南大學(xué)毫米波國家重

32、點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任，崔鐵軍教授在計(jì)算電磁學(xué)和新型人工電磁材料等領(lǐng)域做出了很多原創(chuàng)性的研究成果【13,14】。崔鐵軍教授課題組和杜克大學(xué)史密斯教授課題組于2006年開始合作，在新型人工電磁材料的理論分析、設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用上取得了一系列成果，為新型“隱形衣”的研制打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)【15】。</p><p>　　2009年11月，東南大學(xué)毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以崔鐵軍和程強(qiáng)為首的研究團(tuán)隊(duì)成功地制作出人造電磁學(xué)收集器，在微波環(huán)境

33、中，它能夠像宇宙中的“黑洞”一樣去吸收環(huán)境中的微波【10】。該成果引起了世界科技界的高度關(guān)注，10月15日，《自然》網(wǎng)站也以“科學(xué)家研制出可攜帶黑洞”為題介紹了這項(xiàng)研究成果。</p><p>　　應(yīng)用前景【15-19】</p><p>　　左手材料的巨大應(yīng)用前景源于它的制造實(shí)現(xiàn)。Pendry在2000年就曾建議制作“超級透鏡”（也稱“理想棱鏡”）以實(shí)現(xiàn)左手材料的應(yīng)用，這一建議在2004年被

34、變成了現(xiàn)實(shí)，科學(xué)家利用左手材料已經(jīng)成功制造出平板微波透鏡。2004年２月，俄羅斯莫斯科理論與應(yīng)用電磁學(xué)研究所的物理學(xué)家宣布他們研制成功一種具有超級分辨率的鏡片，但是他們的技術(shù)要求被觀察的物體幾乎接觸到鏡片，這一前提使其在實(shí)際應(yīng)用中難以操作。同年，加拿大多倫多大學(xué)的科學(xué)家制造出一種左手鏡片，其工作原理與具有微波波長的射線有關(guān)，這種射線在電磁波頻譜中的位置緊鄰無線電波。</p><p><b>　　目錄&l

35、t;/b></p><p>　　張世鴻，陳良，徐彬彬，鄧龍江，電子技術(shù)大學(xué)，微電子與固體電子學(xué)院，四川，成都。中圖分類號：TM27 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-9731（2006）01-0001</p><p>　　郭光燦，夏云杰，氣體Cerenkov輻射的量子理論，物理學(xué)報(bào)，文獻(xiàn)標(biāo)識碼: CNKI:SUN:WLXB.0.1988-08-013</p><

36、;p><b>　　左手材料，百度百科</b></p><p>　　Pendry J B,Holedn A J,Stewart W J,et al.[J].Pyhs Rev Lett,1996,76 (25):4773.</p><p>　　E.Cubukcu ，K.Aydin ，Phys. Rev. Lett. 91, 207401 (2003)</p&g

37、t;<p>　　沈陸發(fā)，王子華，各向異性色散左手材料平面波導(dǎo)的導(dǎo)模特性，第七期，2010.</p><p>　　Journal of Magnetism and Magnetic Materials 323 (5), pp. 607-610</p><p>　　微波左手材料的反射率和相位隨頻率的變化特性，趙乾;趙曉鵬;康雷;鄭晴?？茖W(xué)通報(bào)，2005，第六期</p>

38、<p>　　含左手材料的四層平面波導(dǎo)TM模的傳輸特性，沈陸發(fā);王子華。半導(dǎo)體光電，2010，第二期。</p><p>　　不同厚度有耗左手材料板中的電磁波研究，林振;梁昌洪。強(qiáng)激光與粒子束，2006第六期。</p><p>　　Dual bands of negative refractive indexes in the planar left-handed metamat

39、erials，Journal of Magnetism and Magnetic Materials </p><p>　　Volume 323, Issue 5, March 2011, Pages 607-610DOI: 10.1016/j.jmmm.2010.10.023。</p><p>　　理想導(dǎo)體前單層吸波材料的設(shè)計(jì)綜合，崔鐵軍;梁昌洪。西部電子，1991第四期。</p&

40、gt;<p>　　新型人工電磁材料探討，崔鐵軍。國際學(xué)術(shù)動態(tài)，2009第三期。</p><p>　　中國研制成功隱形涂料 科技廣場,第3期,2003.</p><p>　　劉亞紅 羅春榮 趙曉鵬，微波左手材料及其應(yīng)用前景。功能材料，文獻(xiàn)標(biāo)識碼：CNKI:SUN:GNCL.0.2006-03-000</p><p>　　新型電介質(zhì):Metamate

41、rials(特異材料)與光子晶體材料 張冶文,四川大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),第S1期,2005.</p><p>　　左手介質(zhì)材料的研究進(jìn)展與應(yīng)用前景 李守衛(wèi)，張保民，王衛(wèi)清,電子材料與電子技術(shù),第3期,2006.</p><p>　　左手介質(zhì)材料的研究進(jìn)展與應(yīng)用前景（續(xù)） 李守衛(wèi)，張保民，王衛(wèi)清,電子材料與電子技術(shù),第4期,2006.</p><p>　　超材

42、料(metamaterials)在電子元件中的應(yīng)用 周濟(jì),電子元件與材料,第9期,2008</p><p><b>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　電磁波在左手材料中的傳輸特性</p><p><b>　　摘　要</

43、b></p><p>　　【摘要】左手材料就是擁有負(fù)的電解常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率的新型材料，電磁波在這種材料中傳播具有不同尋常的性質(zhì)。為更深的理解左手材料性質(zhì)本文從理論上嚴(yán)格推導(dǎo)了左手材料所具有的奇異性質(zhì)，如負(fù)折射率、逆多普勒效應(yīng)、逆Cerenkov輻射、負(fù)Goos-Hanchen位移和Bragg Regime帶移。以及簡要介紹這種新型人工材料背景和最近幾年的國內(nèi)外研究進(jìn)展。</p><p>

44、;　　【關(guān)鍵詞】左手材料；負(fù)介電常數(shù)；負(fù)磁導(dǎo)率；研究進(jìn)展</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　【ABSTRACT】Left-handed material is to have a negative electrolysis and negative permeability constants of new materials,

45、 electromagnetic wave propagation in the material with unusual properties. Left-handed materials for the deeper understanding of the nature of this theory is derived strictly left-handed materials with singular propertie

46、s, such as negative refraction, inverse Doppler effect, inverse Cerenkov radiation, negative Goos-Hanchen displacement and the Bragg Regime with the shift. And b</p><p>　　【KEYWORDS】Radiation Characteristics

47、of Electromagnetic waves in a Left-Handed Materia</p><p><b>　　目　錄</b></p><p><b>　　摘　要11</b></p><p>　　Abstract11</p><p><b>　　目　錄12</b

48、></p><p><b>　　1引言13</b></p><p>　　1.1基本電磁特性14</p><p>　　2左手材料的奇異特性18</p><p>　　2.1能流的方向和波矢方向相反18</p><p>　　2.2反常折射18</p><p&

49、gt;　　2.3逆Doppler效應(yīng)20</p><p>　　2.4反常的Cerenkov效應(yīng)與光壓20</p><p>　　3成果及展望21</p><p>　　3.1實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展及其成果21</p><p>　　3.2展望結(jié)語24</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)24</b

50、></p><p>　　致謝錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p><b>　　引言</b></p><p>　　近年來，人們對一種名叫左手材料的新興材料表現(xiàn)出很大的興趣。左手材料在一些微波頻段范圍內(nèi)能表現(xiàn)出負(fù)折射率，同時(shí)具有負(fù)的有效電介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。而自然界不存在同時(shí)具有負(fù)折射率和負(fù)磁導(dǎo)率的材料，因此，左手材料是一種人工復(fù)合材料[1]。

51、Veselago首先在1967年預(yù)言了左手材料存在的可能性，并從麥克斯韋方程組推導(dǎo)并分析了這種材料的一些不同尋常的物理性質(zhì)，如相位和群速度方向相反，逆轉(zhuǎn)斯奈爾定律（負(fù)折射）和逆多普勒頻移等，為此還在前蘇聯(lián)一個(gè)學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表了一篇論文，報(bào)道了他的這些新發(fā)現(xiàn)。這篇論文引起了一位英國人的關(guān)注，1968年被譯成英文重新發(fā)表在另一個(gè)前蘇聯(lián)物理類學(xué)術(shù)刊物上。但幾乎無人意識到，材料世界從此翻開新的一頁。</p><p>　　左

52、手材料的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢</p><p>　　(1)左手(負(fù)折射率)材料國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1968年Veselago從理論上提出了左手材料的概念。所謂左手材料是指對電磁波響應(yīng)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，在同一頻段同時(shí)為負(fù)的材料，即電磁波在這種材料中傳播時(shí)它的電場E矢量、磁場B矢量和波矢K服從左手定則，自然界中很少或沒有這樣的介質(zhì)。在左手材料中，電磁波的群速度和相速度方向相反，導(dǎo)致左手材料中存在反常SneU定律(即負(fù)折射效應(yīng)

53、)、反常Cherenkov效應(yīng)和反常Doppler效應(yīng)[3]等一系列與人們熟悉的現(xiàn)象相反的奇特效應(yīng)。2000年Smith利用分裂雙環(huán)諧振器(sRR)結(jié)構(gòu)，首次在微波波段(5Gm)獲得了人工結(jié)構(gòu)的負(fù)折射材料，在正文會詳細(xì)提到。英國科學(xué)家Pendry提出了利用負(fù)折射材料實(shí)現(xiàn)“超透鏡”的設(shè)想，進(jìn)一步激發(fā)了對負(fù)折射率材料研究的興趣。2003年12月19日美國《科學(xué)》雜志將左手材料列為當(dāng)年的十大科技進(jìn)展之一[4]。近幾年取得重要的進(jìn)展，概括起來有

54、以下兩個(gè)方面：1)負(fù)折射率材料的研究①沿著Pcnary的SRR思路，設(shè)計(jì)不同的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，以提高負(fù)折射的頻率范圍。利用電磁波與微結(jié)構(gòu)金屬環(huán)路形成共振，實(shí)現(xiàn)負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率，以英國Imperi</p><p><b>　　基本電磁特性</b></p><p>　　電磁場的理論研究的里程碑進(jìn)程，是英國物理學(xué)家麥克斯韋在19世紀(jì)建立的描述電磁場的基本方程組, 1845年，

55、關(guān)于電磁現(xiàn)象的三個(gè)最基本的實(shí)驗(yàn)定律：庫侖定律（1785年），安培—畢奧—薩伐爾定律（1820年），法拉第定律（1831-1845年）已被總結(jié)出來，法拉第的“電力線”和“磁力線”概念已發(fā)展成“電磁場概念”。場概念的產(chǎn)生，也有麥克斯韋的一份功勞，這是當(dāng)時(shí)物理學(xué)中一個(gè)偉大的創(chuàng)舉，因?yàn)檎菆龈拍畹某霈F(xiàn)，使當(dāng)時(shí)許多物理學(xué)家得以從牛頓“超距觀念”的束縛中擺脫出來，普遍地接受了電磁作用和引力作用都是“近距作用”的思想。1855年至1865年，麥克斯韋

56、在全面地審視了庫侖定律、安培—畢奧—薩伐爾定律和法拉第定律的基礎(chǔ)上，把數(shù)學(xué)分析方法帶進(jìn)了電磁學(xué)的研究領(lǐng)域，由此導(dǎo)致麥克斯韋電磁理論的誕生。</p><p>　　方程組的微分形式，通常稱為麥克斯韋方程。 在麥克斯韋方程組中，電場和磁場已經(jīng)成為一個(gè)不可分割的整體。該方程組系統(tǒng)而完整地概括了電磁場的基本規(guī)律，并預(yù)言了電磁波的存在。 麥克斯韋提出的渦旋電場和位移電流假說的核心思想是：變化的磁場可以激發(fā)渦旋電場，變化的電場

57、可以激發(fā)渦旋磁場；電場和磁場不是彼此孤立的，它們相互聯(lián)系、相互激發(fā)組成一個(gè)統(tǒng)一的電磁場。麥克斯韋進(jìn)一步將電場和磁場的所有規(guī)律綜合起來，建立了完整的電磁場理論體系。這個(gè)電磁場理論體系的核心就是麥克斯韋方程組。</p><p>　　在經(jīng)典電動力學(xué)中，對于無損耗、各向同性、空間均勻介質(zhì)的自由空間，Maxwell方程組為： </p><p><b>　　(1)</b>

58、</p><p><b>　　(2)</b></p><p><b>　　(3)</b></p><p><b>　　(4)</b></p><p>　　，（本文中的▽表示取函數(shù)梯度的算子）</p><p>　?。?）描述了電場的性質(zhì)。在一般情況下，電場

59、可以是庫侖電場也可以是變化磁場激發(fā)的感應(yīng)電場，而感應(yīng)電場是渦旋場，它的電位移線是閉合的，對封閉曲面的通量無貢獻(xiàn)。（2）描述了磁場的性質(zhì)。磁場可以由傳導(dǎo)電流激發(fā)，也可以由變化電場的位移電流所激發(fā)，它們的磁場都是渦旋場，磁感應(yīng)線都是閉合線，對封閉曲面的通量無貢獻(xiàn)。（3）描述了變化的磁場激發(fā)電場的規(guī)律。（4）描述了變化的電場激發(fā)磁場的規(guī)律。經(jīng)典場論是19世紀(jì)后期麥克斯韋在總結(jié)電磁學(xué)三大實(shí)驗(yàn)定律并把它與力學(xué)模型進(jìn)行類比的基礎(chǔ)上創(chuàng)立起來的。但麥克

60、斯韋的主要功績恰恰是他能夠跳出經(jīng)典力學(xué)框架的束縛：在物理上以"場"而不是以"力"作為基本的研究對象，在數(shù)學(xué)上引入了有別于經(jīng)典數(shù)學(xué)的矢量偏微分運(yùn)算符。這兩條是發(fā)現(xiàn)電磁波方程的基礎(chǔ)。這就是說，實(shí)際上麥克斯韋的工作已經(jīng)沖破經(jīng)典物理學(xué)和經(jīng)典數(shù)學(xué)的框架，只是由于當(dāng)時(shí)的歷史條件，人們?nèi)匀恢荒軓呐ｎD的經(jīng)典數(shù)學(xué)和力學(xué)的框架去理解電磁場理論?，F(xiàn)代數(shù)學(xué)，H空間中的數(shù)學(xué)分析是在19世紀(jì)與20世紀(jì)之交的時(shí)候才出現(xiàn)的。而量

61、子力學(xué)的物質(zhì)波的概念則在更晚的時(shí)候才被發(fā)現(xiàn)，特別是對于現(xiàn)代數(shù)學(xué)與量子物理學(xué)之間的不可分割的數(shù)理邏輯聯(lián)系至今也還沒有完全</p><p>　　正玄時(shí)變電磁波的波動方程為：</p><p><b>　　(5)</b></p><p><b>　　(6)</b></p><p><b>　??；

62、 </b></p><p>　　其中 n代表折射率，C是真空中光速。自然界中物質(zhì)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率一般都與電磁波頻率有關(guān)，如果不考慮任何能量的損耗，在正常的介質(zhì)中，介電常數(shù)和磁導(dǎo)率以及折射率在大多數(shù)情況下都為正數(shù)，此時(shí)方程(5)有波動解，電磁波能在其中傳播。對于無損耗、各向同性、空間均勻的介質(zhì)，由Maxwell方組能推出平面單色電磁波方程為：</p><p><b&g

63、t;　　(7)</b></p><p><b>　　以及</b></p><p><b>　　(8)</b></p><p><b>　　(9)</b></p><p>　　磁波是橫波，波的相位傳播矢量K和電矢量E和磁矢量H相互垂直，并且K、E、H之間滿足右手螺旋關(guān)

64、系。這種常規(guī)的介質(zhì)就被稱為“右手材料”(Right—Handed Materials)。</p><p>　　如果介質(zhì)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率兩者之間一個(gè)為正數(shù)而另一個(gè)為負(fù)數(shù)，則K <0，即方程(1)無波動解，電磁波不能在其中傳播。</p><p>　　如果介質(zhì)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都小于零，方程(1)有波動解，電磁波能在其中傳播。顯然K、E、H之間不再滿足右手螺旋關(guān)系而是滿足左手螺旋關(guān)系[6

65、]。如圖1表示，這種介質(zhì)就被稱為“左手材料”(Left—Handed Materials)</p><p><b>　　左手材料的奇異特性</b></p><p>　　能流的方向和波矢方向相反</p><p>　　電磁波能流的方向即群速的方向，取決于玻印廷矢量S的方向，在正常材料中S和K(它的方向代表電磁波相速的方向)總是相同的，即相速和群速方

66、向是一致的．而玻印廷矢量S</p><p><b>　　(10)</b></p><p>　　即E、H、S始終構(gòu)成右手螺旋關(guān)系。但在左手材料中，S和K這兩個(gè)方向卻正好相反，因此左手材料叉被稱為“負(fù)群速度(Negative group velocity)材料”。如圖1所示。由于左手材料中k和S的方向相反[7]。K取負(fù)值。K為負(fù)數(shù)，介質(zhì)的折射率n也為負(fù)數(shù)，所以這種介質(zhì)也被

67、稱為“負(fù)折射率物質(zhì)”(Negative Index of Refraction Material)。</p><p><b>　　反常折射</b></p><p>　　在左手材料中，電磁波的相速度和群速度方向相反，從而呈現(xiàn)出許多新穎的光學(xué)特性。電磁波從常規(guī)介質(zhì)射向左手介質(zhì)時(shí)，在界面處滿足Maxwell方程的邊界條件，折射光仍然滿足Snell定律</p>

68、<p><b>　　(11)</b></p><p><b>　　又因?yàn)?</b></p><p><b>　　(12)</b></p><p>　　所以 2應(yīng)取負(fù)角度，因此折射光偏折方向會與入射光在法線的同側(cè)。如圖2(a)所示。根據(jù)左手材料這個(gè)特性，人們設(shè)想出理想的透鏡如圖2(b)以左手

69、材料為材質(zhì)制作的凸透鏡或凹透鏡，分別會表現(xiàn)出散光或聚光的效果。(c)平板狀的左手材料，會有類似一般凸透鏡的聚光效果。</p><p>　　負(fù)折射介質(zhì)的一個(gè)重要應(yīng)用是透鏡成像[8]。理論和實(shí)驗(yàn)均表明，所制備的準(zhǔn)晶光子平板結(jié)構(gòu)確實(shí)能夠?qū)狞c(diǎn)光源發(fā)出的電磁波起會聚和成像作用。而且，所成的像可在近場區(qū)域之外，像距隨物距的增大而線性增大，這些特征和一個(gè)理想的折射率為-1的介質(zhì)平板的折射和成像行為十分吻合，充分表明了所制備的

70、準(zhǔn)晶光子結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的負(fù)折射性質(zhì)。由于所用的電介質(zhì)材料無吸收，可以預(yù)計(jì)，所研究的結(jié)構(gòu)可以直截了當(dāng)?shù)赝茝V到更加感興趣的可見光和紅外波段區(qū)域。上述的結(jié)果已經(jīng)發(fā)表在6月24日的Physical Review Letters 上 [Vol. 94, 247402, 2005]。</p><p>　　從圖中我們可以大致看出，當(dāng)光線經(jīng)過材料時(shí)，光線不是直接穿透而過的，而是從它的周圍繞行而過，視覺上會讓人感覺不到或者說看不見它

71、的存在一般。</p><p>　　目前，研究人員正在深入探索這些準(zhǔn)晶光子結(jié)構(gòu)出現(xiàn)負(fù)折射效應(yīng)的深層次的物理根源。視覺隱身的原理實(shí)際上是引導(dǎo)光波等“轉(zhuǎn)向”，或者是說引導(dǎo)光波“彎曲”。人之所以能看到物體，是因?yàn)槲矬w阻擋了光波通過，如果有一種材料涂在物體表面，能引著被物體阻擋的光波“繞著走”，那么光線就似乎沒有受到任何阻擋，在觀察者看來，物體就似乎變得“不存在”了，就好像電影《哈里波特》中的魔法，物體在被這種材料“罩住”

72、后，沒有人能夠看見它，就好像不在同一個(gè)時(shí)空一樣。</p><p>　　逆Doppler效應(yīng)</p><p>　　多普勒效應(yīng)指出，波在波源移向觀察者時(shí)接收頻率變高，而在波源遠(yuǎn)離觀察者時(shí)接收頻率變低。當(dāng)觀察者移動時(shí)也能得到同樣的結(jié)論。但是由于缺少實(shí)驗(yàn)設(shè)備，多普勒當(dāng)時(shí)沒有用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、幾年后有人請一隊(duì)小號手在平板車上演奏，再請訓(xùn)練有素的音樂家用耳朵來辨別音調(diào)的變化，以驗(yàn)證該效應(yīng)。假設(shè)原有波源的波長

73、為λ，波速為c，觀察者移動速度為v：</p><p>　　當(dāng)觀察者走近波源時(shí)觀察到的波源頻率為（v+c）/λ，如果觀察者遠(yuǎn)離波源，則觀察到的波源頻率為（v-c）/λ。</p><p>　　若光源發(fā)出頻率ω0的光，而偵測器以速度 接近光源時(shí)，在一般介質(zhì)之中偵測器所接收到的電磁波頻率將比ω0高，而在左手材料中，，因?yàn)槟芰總鞑サ姆较蚝拖辔粋鞑サ姆较蛘孟喾?，所以如果二者相向而行，觀察者接收到的頻

74、率會降低，則會收到比ω0低的頻率，反之則會升高，從而出現(xiàn)逆Doppler頻。見圖3</p><p>　　反常的Cerenkov效應(yīng)與光壓</p><p>　　在左手材料中，相速與群速方向正好相反的另個(gè)推論就是反常Cerenkov輻射[2]。</p><p>　　一般來說，電子做勻速直線運(yùn)動時(shí)不輻射電磁波。因?yàn)檩椛漤?xiàng)中總有速度對時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，即加速度。加速度為零時(shí)，輻射

75、為零。電子輻射場的計(jì)算公式是通過電子場的級數(shù)分解得到的，其中輻射最主要的項(xiàng)是偶極輻射項(xiàng)，它與加速度成正比，那么輻射能量就與加速度的平方成正比。電子做圓周運(yùn)動是加速運(yùn)動，也符合上述情況。</p><p>　　勻速運(yùn)動的帶電粒子不產(chǎn)生輻射電磁波，而當(dāng)帶電粒子在介質(zhì)中勻速運(yùn)動時(shí)會在其周圍引起誘導(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)粒子速度超過介質(zhì)中光速時(shí)，這些次波互相干涉，從而輻射出電磁波，稱為Cer

76、enkov輻射。在Cerenkov輻射效應(yīng)中，干涉后形成的波前，即等相面是一個(gè)錐面。電磁波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)動方向夾角θ，θ滿足下式：</p><p>　　cosθ=c/nv （13）</p><p>　　其中v是粒子運(yùn)動的速度，而在負(fù)群速度介質(zhì)中，能量的傳播方向與

77、相速相反，因而輻射將背向粒子的運(yùn)動方向發(fā)出，輻射方向形成一個(gè)向前的錐角。電磁輻射對反射體造成的光壓，在左手材料形成對反射體的拉曳力(負(fù)光壓)，而不是如在一般介質(zhì)中的壓力。見圖4</p><p><b>　　成果及展望</b></p><p>　　實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展及其成果</p><p>　　1996到1999年間，J.B.Pendry等相繼構(gòu)造出了

78、周期性排列的細(xì)金屬棒陣列和金屬諧振環(huán)組成的人造媒介，其等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率在微波段分別為負(fù)。D.R.Smith等根據(jù)其模型將金屬棒陣列和金屬諧振環(huán)有規(guī)律的排列在一起，制成了世界上第一塊等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率都為負(fù)的人造媒介－左手材料，其頻譜范圍在4.2GHz－4.6GHz，如下圖所示。2001年Smitli等物理學(xué)家，實(shí)現(xiàn)了這種構(gòu)想。研制出左手材料，并通過實(shí)驗(yàn)觀察列微波的負(fù)忻射現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖l—5－1所示，實(shí)線和虛線分別代表左

79、手材料和同樣形狀的聚氟乙烯。首次在實(shí)驗(yàn)上證明了左手材料的存在如圖1-5-4。</p><p>　　自D.R.Smith證明了左手材料的存在，左手材料迅速成為電磁學(xué)領(lǐng)域乃至整個(gè)物理學(xué)界的研究熱點(diǎn)，但引發(fā)的爭論不斷。直到C.G.Parazzoli等通過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)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)中成功的復(fù)制了R.A.Shelby的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，浙江

80、大學(xué)的研究人員還實(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[10]，越來越多的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展都充分表明左手材料是確實(shí)存在的，有關(guān)的是否存在的爭議已經(jīng)結(jié)束。</p><p>　　近幾年，左手材料在實(shí)驗(yàn)上取得了突破，在多個(gè)波段（微波、毫米波、太赫茲、光波等）進(jìn)行了研究。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，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)只有負(fù)1.2dB/cm的左手材料。在實(shí)

81、現(xiàn)形式方面，目前大部分樣品是由印有金屬的電路板排列成蜂窩狀或者中空的層狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)易碎不實(shí)用，遠(yuǎn)沒有達(dá)到介質(zhì)的要求。浙江大學(xué)的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)了二十四分之一波長尺度的左手材料結(jié)構(gòu)。</p><p>　　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方面，R.A.Shel

82、by等提出了棱鏡折射實(shí)驗(yàn)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度傾斜面的左手材料，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)證實(shí)了折射現(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

83、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。</p><p>　　值得一提的是，浙江大學(xué)研究人員提出高斯波束位移實(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)

84、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。</p><p>　　在研究成果的應(yīng)用上，M.C.KWiltshire等指出瑞士環(huán)結(jié)構(gòu)左手材料特別適合射頻微波器件的應(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)入空氣中后將沿法線方向折射，使得天線具有很強(qiáng)的定向輻射能力。R.W.Ziol

85、kowski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小天線包圍起來，使小天線的輻射阻抗由容性向感性轉(zhuǎn)變，這相當(dāng)于天線和空間之間增加匹配網(wǎng)絡(luò)，通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)可以增大天線的輻射效率并減小阻抗。N.Engteta等提出超薄諧振腔的設(shè)計(jì)，指出由左手材料和常規(guī)介質(zhì)構(gòu)成的諧振腔，其諧振頻率只與兩種介質(zhì)的厚度比有關(guān)，與總厚度無關(guān)[9]。由此可實(shí)現(xiàn)尺度遠(yuǎn)小于一個(gè)波長的超薄諧振器。其還基于二維平面

86、左手材料在某些頻段內(nèi)會出現(xiàn)高阻抗表面的特性，提出一種對電磁波有較強(qiáng)吸收的超薄材料設(shè)計(jì)思路[11]。A.Alu等提出亞波長左手材料漏波天線。</p><p>　　C.Y.Cheng等提出了色散補(bǔ)償特性，復(fù)合左右手傳輸線的部分補(bǔ)償特性已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)證實(shí)，實(shí)現(xiàn)全部色散特性的補(bǔ)償也是可能的。復(fù)合左右手傳輸線應(yīng)用的研究也很多，基于復(fù)合左右手傳輸線的寬頻帶Wilkinson巴倫、裂縫環(huán)諧振器、互補(bǔ)性裂縫環(huán)諧振器以及其構(gòu)成的帶通濾

87、波器、寬頻帶帶通選擇濾波器、E類功效、超帶寬微型濾波器、漏波天線、微型貼片天線、T型功分器、移相器、數(shù)字QPSK接收機(jī)、共面波導(dǎo)器件、寬頻帶微型3dB耦合器、任意耦合度的耦合器、同軸波導(dǎo)、高效率諧波發(fā)生器等也得到了深入的研究[12]。</p><p>　　M.Maksimovic等發(fā)現(xiàn)光子晶體能夠改善普朗克源的發(fā)射和吸收性能，這在提高濾波器的性能方面很有價(jià)值【13】。一些研究人員發(fā)現(xiàn)嵌入式一維光子晶體[14][1

88、5]的分形或周期性的無源濾波器，其性能得到改善。Z.Jaksic等人利用光子晶體提出了有源光學(xué)濾波器[16]。J.Garcia等提出了超寬帶濾波器、單片波導(dǎo)濾波器、高指向性天線、TEM波導(dǎo)等。</p><p><b>　　展望結(jié)語</b></p><p>　　自smith于2001年首次在實(shí)驗(yàn)室成功證明了左手材料的存在以來。此后的十年里，成果不斷[17][18]。其最

89、誘人的前景在于源于它的制造實(shí)現(xiàn)。2004年２月，俄羅斯莫斯科理論與應(yīng)用電磁學(xué)研究所的物理學(xué)家宣布他們研制成功一種具有超級分辨率的鏡片。事實(shí)上，負(fù)折射的前景已經(jīng)使得物理學(xué)家重新檢驗(yàn)了整個(gè)電磁理論，一些基本的光學(xué)現(xiàn)象在負(fù)折射物質(zhì)出現(xiàn)后又有了意想不到的新變化。</p><p>　　盡管將左手材料從實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)化成實(shí)用技術(shù)乃困難重重，還有很長的路要走。最需要克服的還是左手材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本的控制上。不過，活躍在這個(gè)領(lǐng)域

90、的世界知名的高校以及實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)，正不遺余力的接受這些挑戰(zhàn)。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　張世鴻，陳良，徐彬彬，鄧龍江，電子技術(shù)大學(xué)，微電子與固體電子學(xué)院，四川，成都。中圖分類號：TM27 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-9731（2006）01-0001.</p><p>　　郭光燦，夏云杰，氣

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