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。     

从负折射超材料到光学隐身衣

1964年俄罗斯科学家V.Vesalago从Maxwell方程组出发断言具有负折射率的左手材料(LHM)可以存在,1996年和1999年J.Pendry提出了LHM的初始设计。2000年D.Smith制成首个LHM,它可把微波波束弯折到与常规的不同方向。近年来LHM吸引了人们的兴趣,它也称为超材料,但在自然界并不存在。它可变更电磁波传播,从而造成负折射甚至隐形。一个时期以来,在微波和光频进行的隐身斗篷实验是2D或3D的,它们与通常的隐形方法显著不同。LHM的其他应用如左手传输线、成像技术等。本文首先对负折射研究和隐身衣设计的历史和进展作回顾,进而讨论了这些领域中理论与实验工作的意义。可以看出负折射问题是非常复杂的。还讨论了负折射与负波速、负折射与负GH位移的关系。     

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.     

光子晶体介电常数和波导宽度对负折射现象的频率的影响

为研究光子晶体中的负折射情况,利用时域有限差分法（FDTD）并通过模拟仿真观察了光在左手材料光子晶体中的负折射现象。以硅的圆形介质柱组成的二维六边形排列结构的光子晶体为例,分析了介电常数和波导宽度的变化对负折射现象的频率范围的影响。仿真结果显示：相对介电常数不宜过大,波导宽度根据频率选择的需要可采在0.2~0.5 a范围内选取,从而为制作具有负折射现象的宽带宽光子晶体提供参考。     

负折射物质特性的理论分析

从基本的电磁场理论出发,分析和解释负折射物质的电磁特性,以及负折射物质中的逆Cerenlov现象、逆Doppler现象、负折射率和完美透镜的工作原理,帮助人们更加清楚地认识负折射物质的本质特性,更好地开发和应用好负折射物质.     

左手介质组成的完美透镜的两种不同的理论分析

在分析了两种不同的左手介质组成的基础上,根据电磁理论,从传统透镜的理论缺陷入手,利用传统光学性质和传输线理论两种不同的方法来分析,利用倏逝波在左手介质中被放大的性质,解析地研究由左手介质组成的完美透镜以及完美透镜成像的原理．     

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.     

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.     

具有谐振特性的双通带左手材料的设计

通过对谐振型左手材料的理论分析,提出了一种新型双通带左手材料的单元结构.该结构由E型和双谐振环形构成的谐振器与金属线组合而成,其中谐振器实现负磁导率,金属线实现负介电常数.利用电磁仿真软件,分析该材料单元结构的谐振特性,提取该结构的折射率、波阻抗以及介电常数、磁导率.仿真结果表明:该结构在其工作频段内存在2个通带,并且在这2个通带内该结构都具有左手特性.     

含负折射率材料的一维光子晶体光学传输特性研究

采用光学传输矩阵方法,研究了由正折射率材料和负折射率材料交替组成的一维光子晶体中带有缺陷层时的光学传输特性.计算了含有普通电介质插层和有吸收的介质插层两种情况下的透射谱.结果表明,在正入射时,对于普通电介质插层,随插层厚度的增大,缺陷模的个数增多;对于有吸收特性的介质插层,随插层厚度的增大和吸收特性的增强,缺陷模式并没有出现,而是表现为对透射峰的明显增益.     

铁磁共振下磁各向异性材料的负折射特性研究

利用Landau-Lifshitz-Gilbert模型理论计算了铁磁共振条件下天然材料锰钙钛矿薄膜的张量磁导率,发现铁磁共振能够获得负的磁导率,而锰钙钛矿材料特有的庞磁电阻效应可以得到负的介电常数,这使得负折射率成为可能.结合麦克斯韦方程组,分析了铁磁共振时材料的微波传播特性.研究结果表明,在外磁场下天然锰钙钛矿材料不仅可以获得负折射率,更重要的是负折射的工作频率受到了外磁场强弱的调制,材料具备了可调谐特性.     

含负折射率材料的宽带全方位反射镜

利用传输矩阵方法模拟了正负折射率材料交替生成的多层膜体系的反射率对不同偏振模式的角度和频率响应。结果表明,该体系具有很宽的反射带,并且反射带不会随着入射角度的变化而发生平移,可以用来制作高品质的宽带全方位反射镜。     

负折射率材料及其在THz频段的应用研究

负折射率材料是一种重要的新型人工合成材料,其主要特征是介电常数和磁导率都小于零,本文介绍了负折射率材料的物理机理及其在微波波段基础研究的最新进展,并对在THz频段的研究前景进行了分析。     

含有左右手材料的平板透射问题的研究

研究了由各向异性左手化材料和右手化材料构成的平板结构,利用传输矩阵方法,确定了平板结构的透射率和反射率．通过数值模拟方法,讨论了平板的厚度、组分的体积分数以及入射角对平板结构透射率的影响．结果表明,在结构厚度一定的情况下,对于不同的入射角,存在一个优化的体积分数,使结构的透射达到最大．同时垂直入时,透射效果最好．结果还显示了当结构的厚度足够小时,结构的透射既不依赖于组分的体积分数,也不依赖于入射角．此时透射率接近于1．表明结构可以实现全透．     

负折射系统中的光学补偿效应

利Pendry提出的坐标变换方法,研究了负折射材料构成的旋转椭球体、旋转抛物体和双球面系统中的光学补偿效应,发现系统的介电常数和磁导率为某一定值,该系统就具有相应的光学补偿效应,即从系统中某一点所发出的光线可传播至系统中另一点,该点的光场和光源完全一致．特别是双球面系统,其介电常数和磁导率可设计为一个标量,大大降低了技术上的难度,从而可能应用于某些实际光学系统．