電磁波在左手材料中的傳輸特性【開題報告+文獻綜述+畢業(yè)論文】

1、<p><b>　　畢業(yè)論文開題報告</b></p><p><b>　　應用物理</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，物理學在先進材料領域的研究發(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發(fā)展成熟并且實驗室里已經能初步有了實物雛形。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60年代前蘇聯科學家的假想。</p><p>　　物理學中，介電常數ε和磁導率μ是描述均勻媒質中電磁場性質的最基本的兩個物理量。在已知的物質世界中，對

3、于電介質而言，介電常數ε和磁導率μ都為正值，電場、磁場和波矢三者構成右手關系,這樣的物質被稱為右手材料(right-handed materials,RHM)。這種右手規(guī)則一直以來被認為是物質世界的常規(guī)，但這一常規(guī)卻在上世紀60年代開始遭遇顛覆性的挑戰(zhàn)。1967年，前蘇聯物理學家Veselago在前蘇聯一個學術刊物上發(fā)表了一篇論文，首次報道了他在理論研究中對物質電磁學性質的新發(fā)現，即：當ε和μ都為負值時，電場、磁場和波矢之間構成左手關系

4、。他稱這種假想的物質為左手材料(left-handed materials,LHM)，同時指出，電磁波在左手材料中的行為與在右手材料中相反，比如光的負折射、負的切連科夫效應、反多普勒效應等等。</p><p>　　然而左手材料的研究發(fā)展并不一帆風順。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，但由于只是停留在理論上，而在自然界中并未發(fā)現實際的左手材料，所以，這一怪誕的假設并沒有立刻被人接受，

5、而是處于幾乎無人理睬的境地，直到時光將近本世紀時才開始出現轉機。直至1998~1999年英國科學家Pendry等人提出了一種巧妙的設計結構可以實現負的介電系數與負的磁導率，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旋風之勢。</p><p>　　2001年，美國加州大學San Diego分校的David Smith等物理學家根據Pendry等人的建議，利用

6、以銅為主的復合材料首次制造出在微波波段具有負介電常數、負磁導率的物質，他們使一束微波射入銅環(huán)和銅線構成的人工介質，微波以負角度偏轉，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致光學頻段的左手材料和復合左／右手傳輸線的構造是電磁超介質研究的難點之一。金屬在光頻段的特性類似等離子

7、體，但與光頻段的導體(磁性“消失”)不同，使得由金屬結構構成的電磁超介質很難移植到光頻段，而且金屬結構電介質的光學波長數量級尺寸也為電磁超介質單元結構的制作提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。不幸的是，至今尚未有實現非金屬結構電磁超介質的報道。</p><p>　　其二，大多左手材料實驗基本上是在微波波段進行的。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，結構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、聚焦和成像的設備，這方面技術過去一直沒有得到實質性的發(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，首先在其應用性能上就無比令人振奮的，2004年，俄羅斯莫斯科理論與應用電磁學研究所的物理學家宣布他們研制成功一種具有超級分辨率的鏡片，但是他們的技術要求被觀察的物體幾乎接觸

9、到鏡片，這一前提使其在實際應用中難以操作。同年，加拿大多倫多大學的科學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，這種射線在電磁波頻譜中的位置緊鄰無線電波。2009年初，美國杜克大學和中國東南大學合作，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》雜志上。</p><p>　　另外，還在研究中的太赫茲段的左手材料（遠紅外射線，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）是一個備受關注的領域，太赫茲電磁波介于紅外與微波之間，具有較強穿透能力，又不對人體造成傷害，在軍事、反恐、醫(yī)學等領域具有非常廣闊的應用前景，可用于新型雷達、全天候導航設備、遠距離發(fā)現衣物內隱藏武器的探測儀器、質量檢測設備、醫(yī)學成像等，其應用于通訊系統(tǒng)以及資料儲存媒介的設計上，用來制造更小的移動電話或者是容量更大的儲存媒體；等效的負折射媒質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入商業(yè)應用階段，對于人類設計新型功能材料的提供全新的廣闊的空間，將對生物學等科研領域帶來重大變化，這對于研究病毒入侵細胞的機制、新藥篩選等都會產生重大影響。</p><p>　　二、研究的基本內容與擬解決的主要問題</p><p><b>　　研究的基本內容：</b></p><p>　

12、　1左手材料的概念及國內外研究現狀</p><p>　　2左手材料表面電磁波的反射特性</p><p>　　3左手材料介質中電磁波傳播特性</p><p><b>　　4前景及相關應用</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

13、外研究現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用前景或者利用左手材料的特異性設計相關產品。</p><p>　　三、研究的方法與技術路線</p><p>　　1通過查閱大量的國內外相關文獻。</p><p>　　2結合本科階段所學的學科知識，主要是電動力學，原子

14、物理，量子力學以及材料科學相關的書籍研讀精讀已有的國內外具有重要參考價值的論文文獻。</p><p>　　3通過自覺專研及向同學導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內容及相關知識完成最后的答辯定稿。</p><p>　　四、研究的總體安排與進度</p><p>

15、　　1月1日—— 1月31日 通過閱讀大量文獻，完成對左手材料概念性能深刻理解，對國內外研究現狀有全方面認識。</p><p>　　2月1日——2月28日 通過對已有相關知識的重新學習結合已閱讀文獻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用前景或者左手材料特異性能設計產品。</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</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, 西安郵電學院學報, 3期（2 0 0 6）131。</p><p>　　4．吳聞迪， 召兵，吳福全，李杰斌，左手材料和負折射，曲 阜 師 范 大 學 學 報，1期（2009）60。</p><p>　　

19、5．晏伯武，左手材料的設計和研究進展，兵器材料科學與工程, 32期(2009) 94.</p><p>　　6. 李瑞蓮, 左手材料的電磁特性, 人工晶體學報, 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，揚州大學學報，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，湖南城市學院學報，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，光子學報，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系，貴州大學學報，3期（2009）。</p><p><b>　　畢業(yè)論文文

21、獻綜述</b></p><p><b>　　應用物理</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”的人工復合材料在固體物理、材料科學、光學和應用電磁學領域內開始獲得愈來愈廣泛的青睞，對其的研究正呈現迅速發(fā)展之勢，而它的出現卻是源于上世紀60年代前蘇聯科學家的假想。&

22、lt;/p><p><b>　　LHM概念的提出</b></p><p>　　1964年前蘇聯科學家V.G.Veslago教授從Maxwell方程出發(fā)，分析了電磁波在擁有負磁導率和負電介常數的材料中傳播的情況，對其進行了闡述，如負的切連科夫效應、反斯涅耳定律、反多普勒效應等等。電磁波在傳播時相速和群速方向相反，E、H、K三矢量之間呈現左手法則，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。由于當時在自然界和實驗室中未能找到這種材料，因此負折射率的問題并未引起大家的關注。在Veslago之后的幾十年內，很少有關于負折射率問題的進一步報道。【1】</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和磁導率都取負值，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三者之間構成右手關系，而在左手介質中，波矢k三者之間構成左手關系。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、　聲波在介質中傳播時，波源和觀察者如果發(fā)生相對運動，會出現Doppler效應。但是，在左手材料中，相速度和群速方向恰好相反，當波源和觀察者相向而行時，觀察者接收到的頻率會降低，反之，則會提高。從而出現逆Doppler頻移。</p><p>　　反常Cerenkov輻射【2】</p><p>　　反常Cerenkov輻射電動力學告訴我們，在真空中，勻速運動的帶電粒子不會輻射電磁波，而當帶電粒

26、子在介質中做勻速運動時，會在其周圍引起誘導電流，從而在其路徑上形成一系列次波源，分別發(fā)出次波。當粒子速度超過介質中光速時，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，即等相位面是一個錐面，電磁波能量沿此錐面的法線方向輻射出去，形成一個向后的錐角，如圖l—5—3(a)所示。</p><p>　　國內外研究現狀【3,4】</p><p>

27、　　在1998~1999年，英國科學家Pendry等人在1998~1999年提出了一種巧妙的設計結構可以實現負的介電系數與負的磁導率。</p><p>　　2001年，美國加州大學San Diego分校的David Smith等物理學家根據Pendry等人的建議，利用以銅為主的復合材料首次制造出在微波波段具有負介電常數、負磁導率的物質，他們使一束微波射入銅環(huán)和銅線構成的人工介質，微波以負角度偏轉，從而證明了左手材

28、料的存在。</p><p>　　2002年7月，瑞士ETHZ實驗室的科學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)產生重大影響，相關研究成果也發(fā)表在當月的美國《應用物理快報》上。</p><p>　　2003年是左手材料研究獲得多項突破的一年。美國西雅圖 Boeing Phantom Works 的C. Parazzoli 與加拿大University of Toronto電機系的

29、G. Eleftheriades所領導的兩組研究人員在實驗中直接觀測到了負折射定律；Iowa State University的S. Foteinopoulou也發(fā)表了利用光子晶體做為介質的左手物質理論仿真結果；美國麻省理工學院的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折射現象的實驗結果。基于科學家們的多項發(fā)現，左手材料的研制赫然進入了美國《科學》雜志評出的2003年度全球十大

30、科學進展，引起全球矚目。</p><p>　　2004年，國際學術界開始出現上?？茖W家的身影?！?73”光子晶體項目首席科學家、復旦大學的資劍教授領導的研究小組經過兩年的研究與巧妙設計，利用水的表面波散射成功實現了左手介質超平面成像實驗【7，10】，論文發(fā)表于著名的《美國物理評論》雜志上，即刻引起學術界的高度關注，被推薦作為《自然》雜志焦點新聞之一。同濟大學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，經過兩年的研究，在基礎理論和材料的制備與表征方面取得了重大進展，成果在國際物理學著名刊物上發(fā)表。2004年在國際微波與毫米波技術大會上作大會報告，并將在2005年日本召開的國際微波與光學技術研討會上作邀請報告【8,9】。</p><p>　　2009年初，美國杜克大學和中國東南大學合作，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》雜志上。 作為東南大學毫米波國家重

32、點實驗室副主任，崔鐵軍教授在計算電磁學和新型人工電磁材料等領域做出了很多原創(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、設計、實驗和應用上取得了一系列成果，為新型“隱形衣”的研制打下了堅實基礎【15】。</p><p>　　2009年11月，東南大學毫米波國家重點實驗室以崔鐵軍和程強為首的研究團隊成功地制作出人造電磁學收集器，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注，10月15日，《自然》網站也以“科學家研制出可攜帶黑洞”為題介紹了這項研究成果。</p><p>　　應用前景【15-19】</p><p>　　左手材料的巨大應用前景源于它的制造實現。Pendry在2000年就曾建議制作“超級透鏡”（也稱“理想棱鏡”）以實現左手材料的應用，這一建議在2004年被

34、變成了現實，科學家利用左手材料已經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用電磁學研究所的物理學家宣布他們研制成功一種具有超級分辨率的鏡片，但是他們的技術要求被觀察的物體幾乎接觸到鏡片，這一前提使其在實際應用中難以操作。同年，加拿大多倫多大學的科學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，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，電子技術大學，微電子與固體電子學院，四川，成都。中圖分類號：TM27 文獻標識碼：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，物理學報，文獻標識碼: 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的導模特性，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。科學通報，2005，第六期</p>

38、<p>　　含左手材料的四層平面波導TM模的傳輸特性，沈陸發(fā);王子華。半導體光電，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>　　理想導體前單層吸波材料的設計綜合，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。國際學術動態(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用前景。功能材料，文獻標識碼：CNKI:SUN:GNCL.0.2006-03-000</p><p>　　新型電介質:Metamate

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

42、料(metamaterials)在電子元件中的應用 周濟,電子元件與材料,第9期,2008</p><p><b>　　本科畢業(yè)設計</b></p><p><b>　　（20 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的電解常數和負磁導率的新型材料，電磁波在這種材料中傳播具有不同尋常的性質。為更深的理解左手材料性質本文從理論上嚴格推導了左手材料所具有的奇異性質，如負折射率、逆多普勒效應、逆Cerenkov輻射、負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外研究進展。</p><p>

44、;　　【關鍵詞】左手材料；負介電常數；負磁導率；研究進展</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20</p><p>　　2.4反常的Cerenkov效應與光壓20</p><p>　　3成果及展望21</p><p>　　3.1實驗研究進展及其成果21</p><p>　　3.2展望結語24</p><p><b>　　參考文獻24</b

50、></p><p>　　致謝錯誤!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出很大的興趣。左手材料在一些微波頻段范圍內能表現出負折射率，同時具有負的有效電介電常數和磁導率。而自然界不存在同時具有負折射率和負磁導率的材料，因此，左手材料是一種人工復合材料[1]。

51、Veselago首先在1967年預言了左手材料存在的可能性，并從麥克斯韋方程組推導并分析了這種材料的一些不同尋常的物理性質，如相位和群速度方向相反，逆轉斯奈爾定律（負折射）和逆多普勒頻移等，為此還在前蘇聯一個學術刊物上發(fā)表了一篇論文，報道了他的這些新發(fā)現。這篇論文引起了一位英國人的關注，1968年被譯成英文重新發(fā)表在另一個前蘇聯物理類學術刊物上。但幾乎無人意識到，材料世界從此翻開新的一頁。</p><p>　　左

52、手材料的研究現狀與發(fā)展趨勢</p><p>　　(1)左手(負折射率)材料國內外研究現狀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的介電常數和磁導率，在同一頻段同時為負的材料，即電磁波在這種材料中傳播時它的電場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。在左手材料中，電磁波的群速度和相速度方向相反，導致左手材料中存在反常SneU定律(即負折射效應

53、)、反常Cherenkov效應和反常Doppler效應[3]等一系列與人們熟悉的現象相反的奇特效應。2000年Smith利用分裂雙環(huán)諧振器(sRR)結構，首次在微波波段(5Gm)獲得了人工結構的負折射材料，在正文會詳細提到。英國科學家Pendry提出了利用負折射材料實現“超透鏡”的設想，進一步激發(fā)了對負折射率材料研究的興趣。2003年12月19日美國《科學》雜志將左手材料列為當年的十大科技進展之一[4]。近幾年取得重要的進展，概括起來有

54、以下兩個方面：1)負折射率材料的研究①沿著Pcnary的SRR思路，設計不同的環(huán)狀結構，以提高負折射的頻率范圍。利用電磁波與微結構金屬環(huán)路形成共振，實現負介電常數和負磁導率，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程，是英國物理學家麥克斯韋在19世紀建立的描述電磁場的基本方程組, 1845年，

55、關于電磁現象的三個最基本的實驗定律：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”。場概念的產生，也有麥克斯韋的一份功勞，這是當時物理學中一個偉大的創(chuàng)舉，因為正是場概念的出現，使當時許多物理學家得以從牛頓“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上，把數學分析方法帶進了電磁學的研究領域，由此導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，電場和磁場已經成為一個不可分割的整體。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，它們相互聯系、相互激發(fā)組成一個統(tǒng)一的電磁場。麥克斯韋進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。這個電磁場理論體系的核心就是麥克斯韋方程組。</p><p>　　在經典電動力學中，對于無損耗、各向同性、空間均勻介質的自由空間，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▽表示取函數梯度的算子）</p><p>　?。?）描述了電場的性質。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)的感應電場，而感應電場是渦旋場，它的電位移線是閉合的，對封閉曲面的通量無貢獻。（2）描述了磁場的性質。磁場可以由傳導電流激發(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，磁感應線都是閉合線，對封閉曲面的通量無貢獻。（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。經典場論是19世紀后期麥克斯韋在總結電磁學三大實驗定律并把它與力學模型進行類比的基礎上創(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典力學框架的束縛：在物理上以"場"而不是以"力"作為基本的研究對象，在數學上引入了有別于經典數學的矢量偏微分運算符。這兩條是發(fā)現電磁波方程的基礎。這就是說，實際上麥克斯韋的工作已經沖破經典物理學和經典數學的框架，只是由于當時的歷史條件，人們仍然只能從牛頓的經典數學和力學的框架去理解電磁場理論。現代數學，H空間中的數學分析是在19世紀與20世紀之交的時候才出現的。而量

61、子力學的物質波的概念則在更晚的時候才被發(fā)現，特別是對于現代數學與量子物理學之間的不可分割的數理邏輯聯系至今也還沒有完全</p><p>　　正玄時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。自然界中物質的介電常數和磁導率一般都與電磁波頻率有關，如果不考慮任何能量的損耗，在正常的介質中，介電常數和磁導率以及折射率在大多數情況下都為正數，此時方程(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，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

64、系。這種常規(guī)的介質就被稱為“右手材料”(Right—Handed Materials)。</p><p>　　如果介質的介電常數和磁導率兩者之間一個為正數而另一個為負數，則K <0，即方程(1)無波動解，電磁波不能在其中傳播。</p><p>　　如果介質的介電常數和磁導率都小于零，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系而是滿足左手螺旋關系[6

65、]。如圖1表示，這種介質就被稱為“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始終構成右手螺旋關系。但在左手材料中，S和K這兩個方向卻正好相反，因此左手材料叉被稱為“負群速度(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取負值。K為負數，介質的折射率n也為負數，所以這種介質也被

67、稱為“負折射率物質”(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，從而呈現出許多新穎的光學特性。電磁波從常規(guī)介質射向左手介質時，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>　　又因為 </b></p><p><b>　　(12)</b></p><p>　　所以 2應取負角度，因此折射光偏折方向會與入射光在法線的同側。如圖2(a)所示。根據左手材料這個特性，人們設想出理想的透鏡如圖2(b)以左手

69、材料為材質制作的凸透鏡或凹透鏡，分別會表現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>　　負折射介質的一個重要應用是透鏡成像[8]。理論和實驗均表明，所制備的準晶光子平板結構確實能夠對從點光源發(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，這些特征和一個理想的折射率為-1的介質平板的折射和成像行為十分吻合，充分表明了所制備的

70、準晶光子結構具有優(yōu)良的負折射性質。由于所用的電介質材料無吸收，可以預計，所研究的結構可以直截了當地推廣到更加感興趣的可見光和紅外波段區(qū)域。上述的結果已經發(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，當光線經過材料時，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晶光子結構出現負折射效應的深層次的物理根源。視覺隱身的原理實際上是引導光波等“轉向”，或者是說引導光波“彎曲”。人之所以能看到物體，是因為物體阻擋了光波通過，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，就好像不在同一個時空一樣。</p><p>　　逆Doppler效應</p><p>　　多普勒效應指出，波在波源移向觀察者時接收頻率變高，而在波源遠離觀察者時接收頻率變低。當觀察者移動時也能得到同樣的結論。但是由于缺少實驗設備，多普勒當時沒有用實驗驗證、幾年后有人請一隊小號手在平板車上演奏，再請訓練有素的音樂家用耳朵來辨別音調的變化，以驗證該效應。假設原有波源的波長

73、為λ，波速為c，觀察者移動速度為v：</p><p>　　當觀察者走近波源時觀察到的波源頻率為（v+c）/λ，如果觀察者遠離波源，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，在一般介質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，，因為能量傳播的方向和相位傳播的方向正好相反，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，從而出現逆Doppler頻。見圖3</p><p>　　反常的Cerenkov效應與光壓</p><p>　　在左手材料中，相速與群速方向正好相反的另個推論就是反常Cerenkov輻射[2]。</p><p>　　一般來說，電子做勻速直線運動時不輻射電磁波。因為輻射項中總有速度對時間的導數，即加速度。加速度為零時，輻射

75、為零。電子輻射場的計算公式是通過電子場的級數分解得到的，其中輻射最主要的項是偶極輻射項，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。電子做圓周運動是加速運動，也符合上述情況。</p><p>　　勻速運動的帶電粒子不產生輻射電磁波，而當帶電粒子在介質中勻速運動時會在其周圍引起誘導電流，從而在其路徑上形成一系列次波源，分別發(fā)出次波。當粒子速度超過介質中光速時，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輻射效應中，干涉后形成的波前，即等相面是一個錐面。電磁波能量沿此錐面的法線方向輻射出去，是向前輻射的，形成一個向后的錐角，即能量輻射的方向與粒子運動方向夾角θ，θ滿足下式：</p><p>　　cosθ=c/nv （13）</p><p>　　其中v是粒子運動的速度，而在負群速度介質中，能量的傳播方向與

77、相速相反，因而輻射將背向粒子的運動方向發(fā)出，輻射方向形成一個向前的錐角。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(負光壓)，而不是如在一般介質中的壓力。見圖4</p><p><b>　　成果及展望</b></p><p>　　實驗研究進展及其成果</p><p>　　1996到1999年間，J.B.Pendry等相繼構造出了

78、周期性排列的細金屬棒陣列和金屬諧振環(huán)組成的人造媒介，其等效介電常數和等效磁導率在微波段分別為負。D.R.Smith等根據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和等效磁導率都為負的人造媒介－左手材料，其頻譜范圍在4.2GHz－4.6GHz，如下圖所示。2001年Smitli等物理學家，實現了這種構想。研制出左手材料，并通過實驗觀察列微波的負忻射現象。實驗結果如圖l—5－1所示，實線和虛線分別代表左

79、手材料和同樣形狀的聚氟乙烯。首次在實驗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領域乃至整個物理學界的研究熱點，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象證實了Smith結構左手材料的負折射率特性，A.A.Houck和冉立新等分別在平板波導中成功的復制了R.A.Shelby的實驗結果，浙江

80、大學的研究人員還實現了高斯波束位移實驗、T型波導實驗、等效參數提取實驗等，進一步驗證了左手材料的負折射率特性[10]，越來越多的實驗進展都充分表明左手材料是確實存在的，有關的是否存在的爭議已經結束。</p><p>　　近幾年，左手材料在實驗上取得了突破，在多個波段（微波、毫米波、太赫茲、光波等）進行了研究。在結構設計方面，K.Li等通過優(yōu)化Smith結構單元設計出了損耗系數只有負1.2dB/cm的左手材料。在實

81、現形式方面，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構，這種結構易碎不實用，遠沒有達到介質的要求。浙江大學的研究人員采用熱壓技術實現了全固態(tài)左手材料，通過增加周期單元之間的耦合程度，設計出了雙S結構左手材料，其帶寬達到37.5%。D.X.Wang等提出了單邊S結構左手材料。在均勻性方面，Y.Guo等設計了二十四分之一波長尺度的左手材料結構。</p><p>　　實驗驗證方面，R.A.Shel

82、by等提出了棱鏡折射實驗裝置，在平行板波導中通過實驗在X波段首次觀察到了負折射現象。C.Caloz等提出在T形波導中放置45度傾斜面的左手材料，通過其通帶特性的S參數可以驗證左手材料的負折射特性。C.G.Parazzoli等將左手材料放置在開放空間中進行測量，采用喇叭口天線發(fā)射和接收電磁波信號，通過棱鏡折射實驗證實了折射現象。A.A.Houck等構造了能夠在兩維方向上測量電磁波平面分布狀況的實驗裝置，測量到左手材料前后一個區(qū)域內的電磁波

83、束的能量分布狀況，通過棱鏡折射實驗觀察到了明顯的負折射波束和一個點源透過左手材料平板后的能量匯聚的現象，證明了左手材料平板聚焦的可能性。K.Aydin等從實驗上驗證了自由空間中左手材料的反射特性。</p><p>　　值得一提的是，浙江大學研究人員提出高斯波束位移實驗，實現了C.Caloz等提出的T型波導實驗。A.N.Lagarkov等提出了近似完美透鏡實驗，采用J.D.Baena等提出的單層螺旋狀Smith結構

84、左手材料對兩個天線進行聚焦實驗，在小于一個波長的尺度內分辨出了兩個天線的像。</p><p>　　在研究成果的應用上，M.C.KWiltshire等指出瑞士環(huán)結構左手材料特別適合射頻微波器件的應用?；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入空氣中后將沿法線方向折射，使得天線具有很強的定向輻射能力。R.W.Ziol

85、kowski等發(fā)現基于左手材料的相位補償原理可以改變天線的匹配負載，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變，這相當于天線和空間之間增加匹配網絡，通過適當的設計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計，指出由左手材料和常規(guī)介質構成的諧振腔，其諧振頻率只與兩種介質的厚度比有關，與總厚度無關[9]。由此可實現尺度遠小于一個波長的超薄諧振器。其還基于二維平面

86、左手材料在某些頻段內會出現高阻抗表面的特性，提出一種對電磁波有較強吸收的超薄材料設計思路[11]。A.Alu等提出亞波長左手材料漏波天線。</p><p>　　C.Y.Cheng等提出了色散補償特性，復合左右手傳輸線的部分補償特性已經被實驗證實，實現全部色散特性的補償也是可能的。復合左右手傳輸線應用的研究也很多，基于復合左右手傳輸線的寬頻帶Wilkinson巴倫、裂縫環(huán)諧振器、互補性裂縫環(huán)諧振器以及其構成的帶通濾

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、數字QPSK接收機、共面波導器件、寬頻帶微型3dB耦合器、任意耦合度的耦合器、同軸波導、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值【13】。一些研究人員發(fā)現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濾波器[16]。J.Garcia等提出了超寬帶濾波器、單片波導濾波器、高指向性天線、TEM波導等。</p><p><b>　　展望結語</b></p><p>　　自smith于2001年首次在實驗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現。2004年２月，俄羅斯莫斯科理論與應用電磁學研究所的物理學家宣布他們研制成功一種具有超級分辨率的鏡片。事實上，負折射的前景已經使得物理學家重新檢驗了整個電磁理論，一些基本的光學現象在負折射物質出現后又有了意想不到的新變化。</p><p>　　盡管將左手材料從實驗室轉化成實用技術乃困難重重，還有很長的路要走。最需要克服的還是左手材料的結構設計和生產成本的控制上。不過，活躍在這個領域

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

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