左手材料PPT课件

1、左手材料 “左手材料左手材料”是指一种介电是指一种介电常数和磁导率同时为负值常数和磁导率同时为负值的材料。电磁波在其传播的材料。电磁波在其传播时，波矢时，波矢k、电场、电场E和磁场和磁场H之间的关系符合左手定之间的关系符合左手定律因此称之为律因此称之为“左手材左手材料料”。它具有负折射率、它具有负折射率、理想成像逆理想成像逆Doppler频移、频移、反常反常Cerenkov辐射等奇辐射等奇异的物理性质。异的物理性质。负折射效应负折射效应当电磁波入射到两种不同介质的分当电磁波入射到两种不同介质的分界面上时，电磁波会发生折射现象，界面上时，电磁波会发生折射现象， 对于两种传统介质而言，由于其折对于

2、两种传统介质而言，由于其折射率射率0，折射波和入射波会分居，折射波和入射波会分居分界面分界面 法线的两侧；而当电磁波入法线的两侧；而当电磁波入射到左手材料和传统介质的分界面射到左手材料和传统介质的分界面上时，由于左手材料的折射率上时，由于左手材料的折射率0，折射波和入射波会处在分界面法线折射波和入射波会处在分界面法线的同侧，这种折射的同侧，这种折射 现象就称为现象就称为“负负折射效应折射效应”负折射率特性可以实现负折射率特性可以实现对倏逝波的放大，实现对倏逝波的放大，实现“超透镜效超透镜效应应，突破衍射，突破衍射 极限，提高其成像极限，提高其成像分辨率。分辨率。逆多普勒效应逆多普勒效应在右手材

3、料中，由波动理论可知，当波源和观在右手材料中，由波动理论可知，当波源和观察者互相接近时，观察到振动频率会减小，这察者互相接近时，观察到振动频率会减小，这就是多普勒效应。但在左手材料中，由于就是多普勒效应。但在左手材料中，由于LHMs内传播的波的相速和群速相反，所以如果二者内传播的波的相速和群速相反，所以如果二者相向而行，观察到的频率会降低。相向而行，观察到的频率会降低。 反常切伦柯夫辐射反常切伦柯夫辐射当带电粒子在介质中匀速运动时会在其周围引起诱导电流，当带电粒子在介质中匀速运动时会在其周围引起诱导电流，诱导电流激发次波，当粒子速度超过介质中光速时，这些诱导电流激发次波，当粒子速度超过介质中光

4、速时，这些次波与原来粒子的电磁场互相干涉，从而辐射出电磁场，次波与原来粒子的电磁场互相干涉，从而辐射出电磁场，称为切伦柯夫辐射。正常材料中，干涉后形成的波面，即称为切伦柯夫辐射。正常材料中，干涉后形成的波面，即等相而是一个锥面。电磁波能量沿此锥面的法线方向辐射等相而是一个锥面。电磁波能量沿此锥面的法线方向辐射出去，是向前辐射的，形成一个向后的锥角，即能量辐射出去，是向前辐射的，形成一个向后的锥角，即能量辐射的方向与粒子运动方向夹角的方向与粒子运动方向夹角，而在负相速度介质中，能，而在负相速度介质中，能量的传播方向与相速相反，因而辐射将背向粒子的运动方量的传播方向与相速相反，因而辐射将背向粒子的

5、运动方向发出，辐射方向形成一个向前的锥角。向发出，辐射方向形成一个向前的锥角。完美透镜效应完美透镜效应 对于普通的透镜来说，由于倏逝波成分所携带的物体对于普通的透镜来说，由于倏逝波成分所携带的物体信息被丢掉了，而信息被丢掉了，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，因此常规材料中的衰减场进入和波矢方向是反相的，因此常规材料中的衰减场进入左手材料后会变为增强场，常规材料中的增强场进入左手材料后会变为增强场，常规材料中的增强场进入左手材料后会变为衰减场。指数衰减的倏逝场进入透左手材料后会变为衰减场。指数衰减的倏逝场进入透镜左端面后将变为指数增强场，左手材料可对

6、常规材镜左端面后将变为指数增强场，左手材料可对常规材料中的倏逝场进行放大。从而使携带物体更微观细节料中的倏逝场进行放大。从而使携带物体更微观细节信息的倏逝场参与了成像。信息的倏逝场参与了成像。“放大过放大过”的倏逝场经过的倏逝场经过透镜右端面后重新变为衰减场，最后在像平面上恢复透镜右端面后重新变为衰减场，最后在像平面上恢复到原来的光场值相对于普通透镜，左手材料平板透镜到原来的光场值相对于普通透镜，左手材料平板透镜没有固定光轴，不受傍轴条件限制，且成正立、等大没有固定光轴，不受傍轴条件限制，且成正立、等大实像，最重要的是不仅能够捕获光场的传播波成分，实像，最重要的是不仅能够捕获光场的传播波成分，

7、而且能够捕获倏逝波成分，光场的所有成分都无损失而且能够捕获倏逝波成分，光场的所有成分都无损失地参与了成像，突破了衍射极限。因而左手材料平板地参与了成像，突破了衍射极限。因而左手材料平板透镜被称为透镜被称为“完美透镜完美透镜”。光波从光密媒质入射到光疏媒质，其入射角要大于临光波从光密媒质入射到光疏媒质，其入射角要大于临界角，将会发生全反射。全反射光束在介质的分界面界角，将会发生全反射。全反射光束在介质的分界面上将沿入射光波波矢量的平行分量发生侧向位移，该上将沿入射光波波矢量的平行分量发生侧向位移，该位移由位移由Goos-Hnchen首次发现，因此命名为首次发现，因此命名为Goos-Hnchen位

8、移。位移。 反反Goos-Hnchen位移位移 独特的性质决定了左手材料的特殊独特的性质决定了左手材料的特殊用途用途Maxwell方程经坐标系统变方程经坐标系统变换后能够提供特定分布的折换后能够提供特定分布的折射率，实现对折射率射率，实现对折射率 的人为的人为控制，使电磁波按人们的意控制，使电磁波按人们的意愿进行传播。愿进行传播。左手材料用于电磁波隐身。左手材料用于电磁波隐身。可用于武器隐身和制作隐身可用于武器隐身和制作隐身衣。下图可以看出电磁波绕衣。下图可以看出电磁波绕过了目标并在绕过目标后返过了目标并在绕过目标后返回了其原始轨迹，实现了目回了其原始轨迹，实现了目标的隐身，标的隐身，在传输线

9、结构中的应用在传输线结构中的应用 传统的传输线由周期性排列的电子元器件组成包括传统的传输线由周期性排列的电子元器件组成包括串联的电感和并联的电容串联的电感和并联的电容,电磁波在其中传播的色散关电磁波在其中传播的色散关系与正折射材料相同。如果将电容与电感互换系与正折射材料相同。如果将电容与电感互换,即电感即电感并联、电容串联并联、电容串联,电磁波其中传播的色散关系就与负折电磁波其中传播的色散关系就与负折射材料类似。这种结构具有较低的插入损耗和较宽的带射材料类似。这种结构具有较低的插入损耗和较宽的带宽，但是设计三维的宽，但是设计三维的CRLH-TL还很困难。还很困难。 下图给出了传输线实现左手材料

10、的基本原理：下图给出了传输线实现左手材料的基本原理：左手材料与天线左手材料与天线 通信系统的保密性、高效性要求天线具有高定向通信系统的保密性、高效性要求天线具有高定向性，移动性和易携带性要求天线具有小型化，为了降性，移动性和易携带性要求天线具有小型化，为了降低对发射系统的要求，天线要具有高增益。这些特性低对发射系统的要求，天线要具有高增益。这些特性都可以通过左手材料的奇特的电磁特性实现。如下图，都可以通过左手材料的奇特的电磁特性实现。如下图，是在天线基板中部分加载是在天线基板中部分加载LHM的情形，加载的情形，加载LHM基板基板中的中的 表面波传播路径是闭合的，而没有加载表面波传播路径是闭合的

11、，而没有加载LHM基板基板中的表面波从边沿辐射了中的表面波从边沿辐射了 出去，由此可知，在天线基出去，由此可知，在天线基板中加载板中加载LHM可以抑制边沿辐射，对于阵列天可以抑制边沿辐射，对于阵列天 线而言，线而言，可以减少阵元间的相互干扰，提高方向性和辐射效率可以减少阵元间的相互干扰，提高方向性和辐射效率研究进展研究进展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月制造出三维的左手材料月制造出三维的左手材料2002年底，麻省理工学院孔金瓯教授从理论上证明了左手年底，麻省理工学院孔金瓯教授从理论上证明了左手 材料存在的合理性材料存在的合理性2003年是

12、左手材料研究获得多项突破的一年年是左手材料研究获得多项突破的一年。美国科学家在实验中直接观测到了负折射定律美国科学家在实验中直接观测到了负折射定律左手材料的研究进入了美国左手材料的研究进入了美国科学科学杂志评出的杂志评出的2003年度全球年度全球十大科学进展，引起全球瞩目。十大科学进展，引起全球瞩目。2004年实现了左手介质超平面成像实验年实现了左手介质超平面成像实验2009年成功研制出微波段新型年成功研制出微波段新型“隐形衣隐形衣” 2004年年2月，俄罗斯物理学家研制成功一种具有超级分辩率的月，俄罗斯物理学家研制成功一种具有超级分辩率的 镜片。同年，加拿大科学家制造出一种左手镜片。两国科学镜片。同年，加拿大科学家制造出一种左手镜片。两国科学家的研究成果被美国物理学会评为家的研究成果被美国物理学会评为2004年度国际物理学会最年度国际物理学会最具影响的研究成果。具影响的研究成果。展望 左手材料是一种具有非常规电磁属左手材料是一种具有非常规电磁属性的类似均匀媒质的特殊人工电磁材料，性的类似均匀媒质的特殊人工电磁材料，其理论基础和实验研究等方而均存在较其理论基础和实验