西安交大“左手材料”研究取得新进展

近日，由西安交通大学理学院介观物理实验室宋晓平教授和电信学院电子材料所徐卓教授牵头组建的“左手材料”研究组，成功研制出具有左手特性的周期性结构材料．     

缺陷对左手材料内部能量分布的影响

研究了以金属铜六边形开口谐振环（split ring resonators, SRRs）和铜线为基本结构单元的左手材料内部能量分布状态.利用波导测量线法测量了受X波段（8—12GHz）微波作用时左手材料及含空位和线缺陷左手材料内部电磁场能量分布.实验发现左手材料样品只对其谐振频率9.6GHz及附近发生介电响应，而对非谐振区频率几乎没有响应.引入空位和线缺陷后，导致左手材料内部的电磁场能量幅值整体减小，最大下降幅度达23%. 认为缺陷的引入破坏了左手材料的周期性有序结构，导致SRRs和铜线间的相互作用改变，从而引起其内部电磁场能量变化.     

左手材料SRRs在手机辐射防护中的作用研究

本文应用FDTD数值模拟方法，建立了在手机与人体模型中使用左手材料SRRs的计算模型，比较使用左手材料SRRs对降低手机辐射剂量SAR值的作用，分析了其对手机通信性能产生的影响。结果表明：使用左手材料SRRs可以明显降低手机天线对人体辐射比吸收率SAR值。     

左右手材料的双层吸波体的设计与仿真

根据传输矩阵法和递推法导出了多层吸波体的反射率公式.利用遗传算法对吸波体各层参数进行了优化设计.分别仿真了右右手材料双层吸波体,右左手材料双层吸波体,左右手材料双层吸波体,左左手材料双层吸波体的反射率随频率的变化曲线.研究结果表明,右左手双层吸波体的性能最好.左手材料作为损耗层时反射率随频率的变化曲线出现多峰现象,有利于频带的展宽.     

矩形波导填充左手介质传输特性的FDTD分析

通过简要介绍左手材料的奇异特性,给出了冷等离子体模型左手材料的时域有限差分（FDTD）法的差分格式.并通过编程实例计算了左手材料加载矩形波导时不同介电常数和不同加载厚度下TE模截止波长的变化趋势.     

左手材料经典结构双负特性及后向波性质探究

通过对左手材料经典杆环结构的理论推导,证明了其介电常数与磁导率双负的特性。提出其后向波性质为左手材料所有奇异性质的基点,并从熵条件的角度探讨了产生后向波的机制,证明了左手材料波前与能量传播的关系,间接说明其不违背能量守恒,证明了左手材料存在性。展望了左手材料的未来三大应用。     

左手材料的性质及研究动态

左手材料(也被称为负折射率材料)最早由前苏联科学家Veselago在20世纪60年代从理论上提出来的,是一种具有介电常数和磁导率同时为负值的材料,它具有诸如负相位速度,负折射率,理想成像,逆Doppler频移及反常的Cerenkon辐射等多种奇异的物理现象.本文主要论述左手材料的性质并分析左手材料全新应用前景,简要介绍左手材料近年来的研究动态及发展前景.     

左手材料的性质及研究动态

左手材料(也被称为负折射率材料)最早由前苏联科学家Veselago在20世纪60年代从理论上提出来的,是一种具有介电常数和磁导率同时为负值的材料,它具有诸如负相位速度,负折射率,理想成像,逆Doppler频移及反常的Cerenkon辐射等多种奇异的物理现象。本文主要论述左手材料的性质并分析左手材料全新应用前景,简要介绍左手材料近年来的研究动态及发展前景。     

基于铁磁介质的左手材料

 超材料是近十几年来国际研究的热点,其中介电常数和磁导率同时为负数的左手材料是最典型一类代表,具有反向波、负折射系数等反常物理特性。左手材料虽然物理本质是等效连续介质,但实际上都是各种人工金属结构,物理特性决定于结构参数而非组成材料的特性。直接利用功能材料的本征物理特性产生负电磁参数进而获得左手特性,可以大大丰富左手材料的物理特性,并且将其跳出超材料设计的范畴,是左手材料领域中的特色研究领域。其中,基于铁磁介质的左手材料近年来已有较多研究。本文对基于铁磁介质的左手材料的研究进展做一综述。     

分别含左右手材料的三层平板波导中光导模的比较研究

从电磁场理论出发推导了电磁波在含左手材料填充的三层平板波导中的特征方程,分别对含左手材料和右手材料的三层平板波导中电磁波的导模进行了分析及仿真,对电磁波在上述两种材料中传导导模进行了分析及对比;研究表明,两种波导结构中的导模数目都将随着芯层厚度的减小、入射波频率的减小而减少;而且,对于结构参数相同的两种波导,含左手材料的三层平板波导中存在模式缺失,不存在TE0模,且导模数不多于传统的右手材料波导.     

基于渔网结构的人工电磁材料结构参数研究

提出了一种基于渔网结构的新型低损耗改进型渔网结构左手材料,研究了其传输特性和材料有效电磁参数,计算表明其具有较宽的负折射带宽和左手带宽(介电常数和磁导率同时为负),同时数值研究了提出的结构的几何参数变化对材料电磁参数的影响.结果表明在结构参数相当大范围内保持了材料的左手物理特性.     

金属磁性颗粒构成的左手化复合材料

研究了具有色散现象的金属磁性颗粒无规地浸没在无色散基质中的复合材料有效折射率．考虑金属磁性颗粒的大小与入射波波长比较小得多时，采用有效介质近似的方法研究了金属磁性颗粒的体积分数变化，可实现系统由右手化复合材料向左手化复合材料的转变；通过理论分析和数值计算发现，对具有色散现象的金属磁性颗粒浸没在非色散现象基质中的复合材料，随着金属磁性颗粒体积分数的变化，其复合材料将由右手征材料向左手征材料渡越；且表征左手征材料的有效负折射系数n。实部的绝对值将随金属磁性颗粒体积分数f的增加而缓慢减小，左手征特性材料的频带将逐渐窄化。     

单轴各向异性半无限左手化材料中的表面极化激元

根据表面极化激元的电磁场,讨论了p偏振和s偏振情况下,单轴各向异性半无限左手化材料中的表面极化激元的存在区域,以及表面极化激元的色散关系.结果表明极化激元可以存在于非左手化材料中,同时还可以存在于单轴各向异性左手化材料中.研究了单轴各向异性左手化材料中平行于轴的介电分量和磁导率分量对表面极化激元的影响.     

S型左手材料平板透镜对喇叭天线性能影响研究

根据左手材料零折射特性设计一种周期性左手材料排列的平面透镜来提高喇叭天线的增益和口径效率。S型左手材料被放置于平行波导中计算端口传输矩阵,并进一步计算S型左手材料的介电常数,调整结构参数,使其在16GHz时负介电常数为负值。将此结构所构成的周期平面透镜放置在矩形喇叭天线上端,对该天线的辐射方向图,增益进行了研究。结果表明,S型左手材料结构平面透镜的喇叭天线增益可达到19．3dB,比无透镜的同尺寸喇叭天线增益提高3．55dB。且口径效率达到64．21％。说明S型左手材料平面透镜可以大幅提高喇叭天线增益和口径效率。     

左手材料参数偏移对其传输函数的影响

根据电磁场理论推导出了左手材料的传输函数,并数值计算了介电常数和磁导率偏移理想值时,传输函数所发生的变化.数值计算表明:传输函数对介电常数和磁导率的偏移非常敏感,完美的左手材料透镜对偏移量的要求十分苛刻.因此,要得到工程意义上完美的左手材料透镜是相当困难的.     

左手材料平板波导的特性研究

研究了左手材料平板波导中的电磁波传播特性,分析了此类波导与传统电介质平板波导性质上的差异,特别是在截止频率方面的差异.发现左手材料平板波导m=1导模是一个带通模,对于同一频率、同一模序数有可能存在着两种导波传播模式.     

左手材料和磁性材料交替排列结构中的角度特征分析

利用4×4传递矩阵的方法,计算了含左手材料和磁性材料的多层结构的磁光科尔效应,分析了科尔旋转角和优值系数随层厚、左手材料磁导率、介电常数的变化关系.左手材料的反常共振传递特性使得薄的磁性膜可以产生大的磁光科尔效应,有望在磁光记录、完美隐身中发挥重要作用.     

新型全电介质平板结构负折射性能的模拟分析

利用全电介质材料,设计了一种新型的高介电质平板-普通介电质-高介电质平板结构.该平板结构中入射电磁波激发的位移电流取代金属材质左手材料中的传导电流,在特定的激发模式下可以产生负折射现象.利用提取的有效介质参数和楔形棱镜模拟证实了这种全电介质结构的左手性能,并研究了高介电质平板尺寸变化对负折射率通带的影响.用具有高介电系数的介电质材料构筑左手材料可以克服传统的基于金属基元的左手材料在红外和太赫兹波段面临的结构复杂和损耗问题,为高频低损电磁超介质的开发提供一种新的结构设计思路.     

左手材料

左手材料同时具有负的介电常数和磁导率及负的折射率,与电磁波的相互作用和传统材料有本质的区别。针对左手材料的基本特性及其设计与制备的一些相关问题,作了简单的总结和介绍。     

用惠更斯作图法研究左手材料的负折射现象

针对理解电磁波在左手材料中的传播特性,在详细分析了该介质中电磁波波矢量k的方向、大小和坡印廷矢量s之间关系的基础之上,根据电磁场理论探讨了电磁波在右手、左手材料分界面上的反射和折射(各介质都是各向同性的)现象。并运用惠更斯作图法解释了电磁波由右手材料穿越左手材料时的负折射现象。指出发生负折射现象的根本原因是由于电磁波在左手材料中传播时其波矢量与坡印廷矢量的方向相反。