《左手材料》word版

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1、左手材料[瀏覽次數(shù)：約1455次]·　　左手材料是指介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時為負數(shù)的材料，在這種介質(zhì)中，電場、磁場和電磁波傳播常數(shù)三者之間構(gòu)成左手螺旋關(guān)系。這是一種新穎奇異的材料,其通常也稱負折射率材料。左手材料是近年來國際上研究的熱點，具有負折射率、逆多普勒效應(yīng)、完美成像等一系列性質(zhì)，通過金屬周期性結(jié)構(gòu)及傳輸線可人工實現(xiàn)，在天線及新型微波器件等性能改進方面具有極大的優(yōu)勢。目錄·左手材料的發(fā)展歷史·左手材料的性質(zhì)·左手材料的人工實現(xiàn)·左手材料的發(fā)展前景左手材料的發(fā)展歷史·　　1968年，前蘇聯(lián)科學(xué)家VeselagoVG發(fā)現(xiàn)介電常

2、數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ都為負值的物質(zhì)的電磁學(xué)性質(zhì)與常規(guī)材料不同，還指出當(dāng)平面電磁波照射在這樣的媒介時，會發(fā)生反常的折射現(xiàn)象，不過其在自然界中并不存在，因此他的研究只是停留在理論上。1996年P(guān)endry提出了金屬線周期結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可使介質(zhì)的介電常數(shù)為負。1999年，Pendry等人又用電介質(zhì)體設(shè)計了一種具有磁響應(yīng)的周期性結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了介質(zhì)磁導(dǎo)率的負值，進而展現(xiàn)了負折射率材料存在的可能性，人們對這種材料也投入了更多的興趣。　　2001年，加州大學(xué)SanDiego分校的Smith等物理學(xué)家根據(jù)Pendry等人的建議，首次制造出在微波波段具

3、有負介電常數(shù)和負磁導(dǎo)率的物質(zhì)，證明了負折射材料的存在。2002年，美國加州大學(xué)Itoh教授和加拿大多倫多大學(xué)Eleftheriades教授領(lǐng)導(dǎo)的研究組幾乎同時提出一種基于周期性LC網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)左手材料的新方法。目前基于LC網(wǎng)絡(luò)的左手材料的研究在理論和實驗上都有很大進展。研究還表明LC左手材料在微波電路、天線等方面的應(yīng)用中具有很大的優(yōu)勢。在2002年底，麻省理工學(xué)院孔金甌教授也從理論上證明了“左手”材料存在的合理性，他稱之為“導(dǎo)向介質(zhì)”。2003年美國ParazzoliCG等人及Houcl等人同時分別進行了一系列成功的實驗工作，

4、樣品實驗的數(shù)據(jù)與模擬計算非常吻合，都晰而顯著地展示出負折射現(xiàn)象；且在不同入射角下測量到的負折射率是一致的，完全符合Snell定律，證實了左手材料的存在。左手材料的性質(zhì)·　　材料與電磁波的相互作用主要體現(xiàn)在材料的介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ這兩個物理參數(shù)上?？紤]波在低損耗介質(zhì)中傳播,此時介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ可以看作實數(shù),根據(jù)ε和μ的正負取值,材料可以分為如圖所示的4類。在自然界中,大部分材料位于1象限,根據(jù)Maxwell方程,當(dāng)一束平面波在位于象限Ⅰ的各向同性材料中傳播時,波矢為實數(shù),因此波可以在這種材料中傳播,波在位于第Ⅱ和Ⅳ象限的

5、介質(zhì)中傳播時,波矢為虛數(shù),這時材料的耗散非常大,一般認為電磁波在該類介質(zhì)中不能傳播,因為這類材料對頻率具有截止功能。對于位于第Ⅲ象限的材料,發(fā)現(xiàn)ε和μ乘積仍然為正,說明波可以在其中傳播,與Ⅰ象限材料相比,雖然波方程沒有改變,但Maxwell旋度方程發(fā)生了改變,從而引起了電磁波傳播性質(zhì)上的根本變化?！　?.電磁學(xué)性質(zhì)　　對于平面單色波，Maxwell方程可以化成如下簡單形式　　在右手介質(zhì)（ε>0，μ>0）中，由（1）（2）兩式知，E、H、k三者構(gòu)成右手關(guān)系；在左手介質(zhì)中，因為ε<0，μ<0，E、H、k成左手關(guān)系。而（3）式不含

6、ε和μ，因此不論是在左手介質(zhì)還是在右手介質(zhì)中，E、H、S三者都是右手關(guān)系。在右手介質(zhì)中，S方向與K方向相同，而在左手介質(zhì)中兩者相反。K代表位相傳播方向，S代表能流傳播方向即群速度方向，因此，左手介質(zhì)是一種相速度和群速度方向相反的物質(zhì)。同時，左手介質(zhì)必然是色散介質(zhì)，這一點可以由電磁場能量表達式（4）得到　　若不存在色散的話，由ε＜0，μ＜0總能量將為負值?！　?.負折射現(xiàn)象當(dāng)波通過兩介質(zhì)之間的界面時,如圖所示.一邊的磁導(dǎo)率μ1和電導(dǎo)率ε1均大于0,另一邊的磁導(dǎo)率μ2和電導(dǎo)率ε2均小于0.　　設(shè)對2種媒介使用Maxwell方程都

7、將被滿足,則有邊界條件:　　可見,E和H沿法線分量En2和Hn2的正負號,在ε2/ε1<0,μ2/μ1<0時將與ε2/ε1>0,μ2/μ1>0時符號的相對,那么,與ε2/ε1>0,μ2/μ1>0的情況相對,在左手材料中折射光線將關(guān)于z軸對稱傳播.　　3.逆多普勒效應(yīng)　　在右手材料中，當(dāng)波源和觀察者之間的距離增加時，比如反射面相對于波源后退時，觀察到的反射波的頻率會減小，這就是多普勒效應(yīng)。但在左手材料內(nèi)，電磁波的相速度和群速度方向相反，即能量的傳播方向和相位傳播方向相反，所以在左手材料中的頻移情況正好和右手材料相反，觀察者接受

8、到的反射波的頻率會增加，這種現(xiàn)象為逆多普勒效應(yīng)。　　4.完美成像　　根據(jù)瑞利準(zhǔn)則，一種頻率的電磁波通常只能用來分辯尺寸不小于大約其半個波長的物體，電磁波的波長決定成像的質(zhì)量和清晰程度，所以波長越短，電磁波能分辯的物體尺寸就越小，清晰度就越高。傳統(tǒng)透鏡無法達到更好的分辯率，是因為電磁波同時具