左手材料PPT課件

1、左手材料 “左手材料左手材料”是指一種介電是指一種介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時為負(fù)值常數(shù)和磁導(dǎo)率同時為負(fù)值的材料。電磁波在其傳播的材料。電磁波在其傳播時，波矢時，波矢k、電場、電場E和磁場和磁場H之間的關(guān)系符合左手定之間的關(guān)系符合左手定律因此稱之為律因此稱之為“左手材左手材料料”。它具有負(fù)折射率、它具有負(fù)折射率、理想成像逆理想成像逆Doppler頻移、頻移、反常反常Cerenkov輻射等奇輻射等奇異的物理性質(zhì)。異的物理性質(zhì)。負(fù)折射效應(yīng)負(fù)折射效應(yīng)當(dāng)電磁波入射到兩種不同介質(zhì)的分當(dāng)電磁波入射到兩種不同介質(zhì)的分界面上時，電磁波會發(fā)生折射現(xiàn)象，界面上時，電磁波會發(fā)生折射現(xiàn)象， 對于兩種傳統(tǒng)介質(zhì)而言，由于其折對于

2、兩種傳統(tǒng)介質(zhì)而言，由于其折射率射率0，折射波和入射波會分居，折射波和入射波會分居分界面分界面 法線的兩側(cè)；而當(dāng)電磁波入法線的兩側(cè)；而當(dāng)電磁波入射到左手材料和傳統(tǒng)介質(zhì)的分界面射到左手材料和傳統(tǒng)介質(zhì)的分界面上時，由于左手材料的折射率上時，由于左手材料的折射率0，折射波和入射波會處在分界面法線折射波和入射波會處在分界面法線的同側(cè)，這種折射的同側(cè)，這種折射 現(xiàn)象就稱為現(xiàn)象就稱為“負(fù)負(fù)折射效應(yīng)折射效應(yīng)”負(fù)折射率特性可以實現(xiàn)負(fù)折射率特性可以實現(xiàn)對倏逝波的放大，實現(xiàn)對倏逝波的放大，實現(xiàn)“超透鏡效超透鏡效應(yīng)應(yīng)，突破衍射，突破衍射 極限，提高其成像極限，提高其成像分辨率。分辨率。逆多普勒效應(yīng)逆多普勒效應(yīng)在右手材

3、料中，由波動理論可知，當(dāng)波源和觀在右手材料中，由波動理論可知，當(dāng)波源和觀察者互相接近時，觀察到振動頻率會減小，這察者互相接近時，觀察到振動頻率會減小，這就是多普勒效應(yīng)。但在左手材料中，由于就是多普勒效應(yīng)。但在左手材料中，由于LHMs內(nèi)傳播的波的相速和群速相反，所以如果二者內(nèi)傳播的波的相速和群速相反，所以如果二者相向而行，觀察到的頻率會降低。相向而行，觀察到的頻率會降低。 反常切倫柯夫輻射反常切倫柯夫輻射當(dāng)帶電粒子在介質(zhì)中勻速運(yùn)動時會在其周圍引起誘導(dǎo)電流，當(dāng)帶電粒子在介質(zhì)中勻速運(yùn)動時會在其周圍引起誘導(dǎo)電流，誘導(dǎo)電流激發(fā)次波，當(dāng)粒子速度超過介質(zhì)中光速時，這些誘導(dǎo)電流激發(fā)次波，當(dāng)粒子速度超過介質(zhì)中光

4、速時，這些次波與原來粒子的電磁場互相干涉，從而輻射出電磁場，次波與原來粒子的電磁場互相干涉，從而輻射出電磁場，稱為切倫柯夫輻射。正常材料中，干涉后形成的波面，即稱為切倫柯夫輻射。正常材料中，干涉后形成的波面，即等相而是一個錐面。電磁波能量沿此錐面的法線方向輻射等相而是一個錐面。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(yùn)動方向夾角的方向與粒子運(yùn)動方向夾角，而在負(fù)相速度介質(zhì)中，能，而在負(fù)相速度介質(zhì)中，能量的傳播方向與相速相反，因而輻射將背向粒子的運(yùn)動方量的傳播方向與相速相反，因而輻射將背向粒子的

5、運(yùn)動方向發(fā)出，輻射方向形成一個向前的錐角。向發(fā)出，輻射方向形成一個向前的錐角。完美透鏡效應(yīng)完美透鏡效應(yīng) 對于普通的透鏡來說，由于倏逝波成分所攜帶的物體對于普通的透鏡來說，由于倏逝波成分所攜帶的物體信息被丟掉了，而信息被丟掉了，而LHMs中中和和都小于零，能流的方向都小于零，能流的方向和波矢方向是反相的，因此常規(guī)材料中的衰減場進(jìn)入和波矢方向是反相的，因此常規(guī)材料中的衰減場進(jìn)入左手材料后會變?yōu)樵鰪?qiáng)場，常規(guī)材料中的增強(qiáng)場進(jìn)入左手材料后會變?yōu)樵鰪?qiáng)場，常規(guī)材料中的增強(qiáng)場進(jìn)入左手材料后會變?yōu)樗p場。指數(shù)衰減的倏逝場進(jìn)入透左手材料后會變?yōu)樗p場。指數(shù)衰減的倏逝場進(jìn)入透鏡左端面后將變?yōu)橹笖?shù)增強(qiáng)場，左手材料可對

6、常規(guī)材鏡左端面后將變?yōu)橹笖?shù)增強(qiáng)場，左手材料可對常規(guī)材料中的倏逝場進(jìn)行放大。從而使攜帶物體更微觀細(xì)節(jié)料中的倏逝場進(jìn)行放大。從而使攜帶物體更微觀細(xì)節(jié)信息的倏逝場參與了成像。信息的倏逝場參與了成像?！胺糯筮^放大過”的倏逝場經(jīng)過的倏逝場經(jīng)過透鏡右端面后重新變?yōu)樗p場，最后在像平面上恢復(fù)透鏡右端面后重新變?yōu)樗p場，最后在像平面上恢復(fù)到原來的光場值相對于普通透鏡，左手材料平板透鏡到原來的光場值相對于普通透鏡，左手材料平板透鏡沒有固定光軸，不受傍軸條件限制，且成正立、等大沒有固定光軸，不受傍軸條件限制，且成正立、等大實像，最重要的是不僅能夠捕獲光場的傳播波成分，實像，最重要的是不僅能夠捕獲光場的傳播波成分，

7、而且能夠捕獲倏逝波成分，光場的所有成分都無損失而且能夠捕獲倏逝波成分，光場的所有成分都無損失地參與了成像，突破了衍射極限。因而左手材料平板地參與了成像，突破了衍射極限。因而左手材料平板透鏡被稱為透鏡被稱為“完美透鏡完美透鏡”。光波從光密媒質(zhì)入射到光疏媒質(zhì)，其入射角要大于臨光波從光密媒質(zhì)入射到光疏媒質(zhì)，其入射角要大于臨界角，將會發(fā)生全反射。全反射光束在介質(zhì)的分界面界角，將會發(fā)生全反射。全反射光束在介質(zhì)的分界面上將沿入射光波波矢量的平行分量發(fā)生側(cè)向位移，該上將沿入射光波波矢量的平行分量發(fā)生側(cè)向位移，該位移由位移由Goos-Hnchen首次發(fā)現(xiàn)，因此命名為首次發(fā)現(xiàn)，因此命名為Goos-Hnchen位

8、移。位移。 反反Goos-Hnchen位移位移 獨特的性質(zhì)決定了左手材料的特殊獨特的性質(zhì)決定了左手材料的特殊用途用途Maxwell方程經(jīng)坐標(biāo)系統(tǒng)變方程經(jīng)坐標(biāo)系統(tǒng)變換后能夠提供特定分布的折換后能夠提供特定分布的折射率，實現(xiàn)對折射率射率，實現(xiàn)對折射率 的人為的人為控制，使電磁波按人們的意控制，使電磁波按人們的意愿進(jìn)行傳播。愿進(jìn)行傳播。左手材料用于電磁波隱身。左手材料用于電磁波隱身。可用于武器隱身和制作隱身可用于武器隱身和制作隱身衣。下圖可以看出電磁波繞衣。下圖可以看出電磁波繞過了目標(biāo)并在繞過目標(biāo)后返過了目標(biāo)并在繞過目標(biāo)后返回了其原始軌跡，實現(xiàn)了目回了其原始軌跡，實現(xiàn)了目標(biāo)的隱身，標(biāo)的隱身，在傳輸線

9、結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用在傳輸線結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用 傳統(tǒng)的傳輸線由周期性排列的電子元器件組成包括傳統(tǒng)的傳輸線由周期性排列的電子元器件組成包括串聯(lián)的電感和并聯(lián)的電容串聯(lián)的電感和并聯(lián)的電容,電磁波在其中傳播的色散關(guān)電磁波在其中傳播的色散關(guān)系與正折射材料相同。如果將電容與電感互換系與正折射材料相同。如果將電容與電感互換,即電感即電感并聯(lián)、電容串聯(lián)并聯(lián)、電容串聯(lián),電磁波其中傳播的色散關(guān)系就與負(fù)折電磁波其中傳播的色散關(guān)系就與負(fù)折射材料類似。這種結(jié)構(gòu)具有較低的插入損耗和較寬的帶射材料類似。這種結(jié)構(gòu)具有較低的插入損耗和較寬的帶寬，但是設(shè)計三維的寬，但是設(shè)計三維的CRLH-TL還很困難。還很困難。 下圖給出了傳輸線實現(xiàn)左手材料

10、的基本原理：下圖給出了傳輸線實現(xiàn)左手材料的基本原理：左手材料與天線左手材料與天線 通信系統(tǒng)的保密性、高效性要求天線具有高定向通信系統(tǒng)的保密性、高效性要求天線具有高定向性，移動性和易攜帶性要求天線具有小型化，為了降性，移動性和易攜帶性要求天線具有小型化，為了降低對發(fā)射系統(tǒng)的要求，天線要具有高增益。這些特性低對發(fā)射系統(tǒng)的要求，天線要具有高增益。這些特性都可以通過左手材料的奇特的電磁特性實現(xiàn)。如下圖，都可以通過左手材料的奇特的電磁特性實現(xiàn)。如下圖，是在天線基板中部分加載是在天線基板中部分加載LHM的情形，加載的情形，加載LHM基板基板中的中的 表面波傳播路徑是閉合的，而沒有加載表面波傳播路徑是閉合的

11、，而沒有加載LHM基板基板中的表面波從邊沿輻射了中的表面波從邊沿輻射了 出去，由此可知，在天線基出去，由此可知，在天線基板中加載板中加載LHM可以抑制邊沿輻射，對于陣列天可以抑制邊沿輻射，對于陣列天 線而言，線而言，可以減少陣元間的相互干擾，提高方向性和輻射效率可以減少陣元間的相互干擾，提高方向性和輻射效率研究進(jìn)展研究進(jìn)展2001年首次制造出在微波波段的左手材料年首次制造出在微波波段的左手材料2002年年7月制造出三維的左手材料月制造出三維的左手材料2002年底，麻省理工學(xué)院孔金甌教授從理論上證明了左手年底，麻省理工學(xué)院孔金甌教授從理論上證明了左手 材料存在的合理性材料存在的合理性2003年是

12、左手材料研究獲得多項突破的一年年是左手材料研究獲得多項突破的一年。美國科學(xué)家在實驗中直接觀測到了負(fù)折射定律美國科學(xué)家在實驗中直接觀測到了負(fù)折射定律左手材料的研究進(jìn)入了美國左手材料的研究進(jìn)入了美國科學(xué)科學(xué)雜志評出的雜志評出的2003年度全球年度全球十大科學(xué)進(jìn)展，引起全球矚目。十大科學(xué)進(jìn)展，引起全球矚目。2004年實現(xiàn)了左手介質(zhì)超平面成像實驗?zāi)陮崿F(xiàn)了左手介質(zhì)超平面成像實驗2009年成功研制出微波段新型年成功研制出微波段新型“隱形衣隱形衣” 2004年年2月，俄羅斯物理學(xué)家研制成功一種具有超級分辯率的月，俄羅斯物理學(xué)家研制成功一種具有超級分辯率的 鏡片。同年，加拿大科學(xué)家制造出一種左手鏡片。兩國科學(xué)鏡片。同年，加拿大科學(xué)家制造出一種左手鏡片。兩國科學(xué)家的研究成果被美國物理學(xué)會評為家的研究成果被美國物理學(xué)會評為2004年度國際物理學(xué)會最年度國際物理學(xué)會最具影響的研究成果。具影響的研究成果。展望 左手材料是一種具有非常規(guī)電磁屬左手材料是一種具有非常規(guī)電磁屬性的類似均勻媒質(zhì)的特殊人工電磁材料，性的類似均勻媒質(zhì)的特殊人工電磁材料，其理論基礎(chǔ)和實驗研究等方而均存在較其理論基礎(chǔ)和實驗