材料物理结课论文左手材料(结课论文)(共21页)

1、材料(cilio)物理结课论文题目：左手(zushu)材料学院(xuyun)：姓名：学号：指导老师： 2013年 12月26日目 录TOC o 1-2 h u HYPERLINK l _Toc373596445 摘要(zhiyo) PAGEREF _Toc373596445 h 1 HYPERLINK l _Toc373596446 1.引言(ynyn) PAGEREF _Toc373596446 h 1 HYPERLINK l _Toc373596447 2.左手(zushu)材料概念与提出，发展 PAGEREF _Toc373596447 h 1 HYPERLINK l _Toc37359

2、6448 2.1左手材料概念 PAGEREF _Toc373596448 h 1 HYPERLINK l _Toc373596449 2.2左手材料的提出 PAGEREF _Toc373596449 h 3 HYPERLINK l _Toc373596450 3.左手材料的理论 PAGEREF _Toc373596450 h 3 HYPERLINK l _Toc373596451 4左手材料的奇异特性 PAGEREF _Toc373596451 h 7 HYPERLINK l _Toc373596452 4.1负折射效应 PAGEREF _Toc373596452 h 7 HYPERLINK

3、l _Toc373596453 4.2反常 Doppler 效应 PAGEREF _Toc373596453 h 7 HYPERLINK l _Toc373596454 4.3反常 cherenkov 辐射 PAGEREF _Toc373596454 h 8 HYPERLINK l _Toc373596455 5.左手材料的实验制备和研究现状 PAGEREF _Toc373596455 h 9 HYPERLINK l _Toc373596456 5.1左手材料的实验制备 PAGEREF _Toc373596456 h 9 HYPERLINK l _Toc373596457 5.2左手材料研究现

4、状 PAGEREF _Toc373596457 h 11 HYPERLINK l _Toc373596458 6.左手材料的潜在应用 PAGEREF _Toc373596458 h 11 HYPERLINK l _Toc373596459 7.结语 PAGEREF _Toc373596459 h 13 HYPERLINK l _Toc373596460 参考文献 PAGEREF _Toc373596460 h 13 HYPERLINK l _Toc373596461 致谢 PAGEREF _Toc373596461 h 16 题目(tm)：左手材料摘要(zhiyo)：左手材料是一种(y zhn

5、)介电常数和磁导率同时为负值的人工材料,这种材料具有负群度、负折射率、逆多普勒效应等多种奇特的物理性质。叙述了左手材料概念和基本原理,介绍了左手材料的应用及其发展前景。详细介绍了左手材料(同时拥有负磁导率和负介电常数)存在的理论依据、实现方法和基本电磁特性 ,光学和微波等领域的潜在应用 ,及其研究 现状。关键词：左手材料;负磁导率;负介电常数 ; 负折射 逆多普勒效应 Abstract:Left-handed materials is a kind of dielectric constant and magnetic permeability and negative artificial

6、materials, the material with negative group of degree of negative refractive index inverse doppler effect and so on a variety of unique physical properties. Describes the left-handed material concept and basic principle, this paper introduces the application and development prospect of left-handed m

7、aterials. Left-handed materials was introduced in detail(also has the negative magnetic permeability and negative permittivity) method and the theoretical basis of the basic electromagnetic characteristics, potential applications in the field of optical and microwave etc, and its research statusKey

8、words: Left hand materials; Negative magnetic permeability; Negative dielectric constant; Negative refraction inverse doppler effect.2013年第一学期材料物理结课论文 1.引言(ynyn)19世纪(shj)60年代，Maxwell方程组的提出极大地促进了人工复合电磁材料的发展，人工复合电磁材料是自然界中并不存在，而是 人们根据电磁理论推导，计算，设计并且制备出来的，具有特殊电磁 属性的人造媒质或材料。它通常是由两种或两种以上的自然界物质按照一定的规则组成。在众多

9、人工复合电磁材料的研究中，最具有代表性的是光子晶体带隙（photonic crystal band-gap，PBG）材料(cilio)和左手材料（left-handed materials，LHMs）。虽然左手材料仅在最近十年才得到深入研究，但其在物理学，材料学，光学，力学和应用电磁学等领域所产生的影响力丝毫不逊于光子晶体，左手材料由于介电常数与磁导率同时为负而具有多种特殊的电磁性质，在精密仪器，智能控制和通讯系统等领域具有很高的应用价值。在左手材料研究工作的基础上，超材料（metamaterials）的概念又被历史性地提出，这使得人们对材料的认识水平上升到了新的高度。继“负折射率左手材料”被

10、美国 Science 杂志评为2003 年的世界十大科技突破之后，“超材料隐身斗篷”再次被评为 2006 年的世界十大科技突破之一。以左手材料为典型代表的超材料开辟了新的研究领域，正在推动着新一轮的技术革新。在世界上第一种人工左手材料制备出不久，科技界就预言左手材料能够给天线领域带来革命性的变化。近几年的相关研究表明，左手材料及单负材料（独立具有负介电常数或负磁导率性质）已经在天线上显示出了巨大的优势。国内外众多的科研小组在这个领域开展了大量的研究工作，并取得了丰硕的研究成果。与传统天线相比，利用左手材料及单负材料设计出的新型天线具有性能和结构上的双重优势，在商业和军事上均有广阔的应用前景，同

11、时将对人类生活产生深远的影响。2.左手材料概念与提出，发展2.1左手材料概念 物理学中，介电常数和磁导率是用于描述物质电磁性质最基本的物理量，自然界中存在的电介质，介电常数和磁导率都大于0，且电场强度、磁场强度和波矢量满足右手定则，这一定律被认为是物质世界的常规，具有不可动摇的地位. 满足这一条件的物质被相应称为右手材料（right-handed materials，RHM）. 左手材料1（left-handed materials，LHM）. 左手材料是与右手材料性质完全相反的一种材料。在经典电动力学中，介质的电磁性质可以用介电常数和磁导率两个宏观参数来描述。正弦时变电磁场的波动方程（Hel

12、mholtz方程）为： (2-1) (2-2)和一般都与电磁波频率有关并且在大多数情况(qngkung)下都为正数，此时方程(2-1)和(2-2)有波动解，电磁波能在其中传播。对于(duy)无损耗、各向同性、空间均匀的介质，由Maxwell方程组能推出：可见(kjin)，上面的，满足右手螺旋关系，满足此类关系的介质被称为右手材料如果介质的和两者之间一个为正数而另一个为负数，则，无实数解；即方程(2-1)和(2-2)无波动解，电磁波不能在其中传播。如果介质满足,，方程(2-1)和(2-2)有波动解，电磁波能在其中传播。但是 ， 之间不再满足右手螺旋关系而是满足左手螺旋关系（如图2.1所示）。这种

13、介质就被称为“左手材料”。图2.1和的的象限图2.2左手(zushu)材料的提出1967年，前苏联物理学家(w l xu ji)Veselago在他发表的一篇文章中首次提出(t ch)了一种假想材料左手材料1（left-handed materials，LHM）. 左手材料是与右手材料性质完全相反的一种材料，它是指物质的介电常数和磁导率 同时为负的材料.由于自然界中尚没有发现和同时为负的物质，左手材料要通过人工制造来获得，Veselago的研究成果一直沉睡了30余年. 直到1996年，英国帝国理工学院的Pendry指出可以用细金属导线阵列（Rod）构造等效介电常数为负的人工材料2；1999年，

14、Pendry又指出可以用谐振环阵列（SRR，split-ring resonator）构造等效磁导率为负的人工材料3-5. 一个里程碑性的工作是2000年美国加州大学圣迭戈分校的Smith等人把二者结合起来，首次实现了左手材料6，并提出了利用左手材料制作完美透镜的理论. 2003年美国Parazzoli7等人及 Houck8等人分别对左手材料进行了一系列实验研究，所得样品实验数据与模拟计算数据恰好吻合，清晰而显著地展示出负折射现象；且与在不同入射角下测量的负折射率一致，完全符合Snell定律. 随后，左手材料的研究成为国际电磁学界一个引人注目的前沿领域，引起了众多学者的关注.3.左手材料(ci

15、lio)的理论根据(gnj)和的符号(fho)，理论上材料可分为四类（如图 3.1 所示）。图3.1和的的象限图 自然界中绝大多数材料位于第象限，其和均大于零。等离子体和金属低于其等离子体频率时, ，位于第 象限，铁氧体在其铁磁谐振频率附近，位于第 象限，它们的折射率为虚数，电磁波不能在其中传播，该材料内传播的电磁波为倏逝波。第 象限中，小于零，小于零，其折射率为实数，同第象限内的材料一样电磁波能在其中传播，但会表现出奇特的物理特性。电动力学主要研究了第, 和 象限内材料的电磁波传输特性，而没有谈及第象限内的材料。1968 年，前苏联物理学家 Veselago 由麦克斯韦方程及介质方程出发，从

16、理论研究了和同时为负的材料的奇特的电磁响应行为。首先我们考虑入射波为平面波。平面单色波在各向同性介质中传播时满足的麦克斯韦方程组及介质方程为 (3-1) (3-2) (3-3) (3-4)将 和 代入麦克斯韦及介质(jizh)方程中可得 (3-5) (3-6)由上式可见(kjin)，当（)时，电磁波的波矢、电矢量(shling)和磁矢量三者构成右手关系；而当和同时小于零时，三矢量构成左手关系，所以将和同时为负的材料称为左手材料（LHMs）。（见图3.2）。左手材料中的波矢与Poynting矢量的方向相反，即相速度和群速度方向相反。根据其特性，左手材料也被称为后向传播波媒质、双负媒质和负折射媒质

17、等。 图 3.2 右手定则 ， 左手定则假设一束平面单色波入射到两介质交界面，如图 3.3 所示，如果给定了两物质的介电常数和磁导率的值，由 Snell 定律： (2-7) 图3.3(a) 入射光在经过一般介质与左手材料接口时，折射光偏折方向会与入射光在法线的同一边。 (b) 以左手材料为材质制作的凸透镜或凹透镜，分别会表现出散光或聚光的效果。(c) 平板状的左手材料，会有类似一般凸透镜的聚光效果光线(gungxin) 1 由介质一入射到介质一与介质二交界面，对于常规材料(介质(jizh)1和2满足) 反射光线(gungxin)和折射光线方向分别由 2 和 4给出，入射光线和折射光线将分居界面

18、法线两侧则这种折射为正折射，折射角与物质的折射率n有关。由于Snell定律可由麦克斯韦方程导出，因此折射率n并不是一个描述物质性质的新参数，实际上它可以写成和的表达式：对于常规材料() 我们都把折射率n取为正根这样做的主要原因是为了使理论与实验相吻合，因此，传统的Snell定律是在假设二物质都为右手性介质时得到的，对于左手性介质是否适用该考虑这样的情况：如果介质一仍然为右手性介质() ,介质二改为左手性介质() 那么光线的折射情况如下：由Maxwell方程可以得到电磁场在介质界面上的连续性条件 , (3-8) , (3-9)即电场强度、磁场强度在界面切线方向连续，而对于各向同性媒质，电位移矢量

19、，磁感应强度 二者在界面法线方向连续。如图 3.3 所示，如果我们把介质二的和同时改为负号,那么由(3-8),(3-9)式可知，电场、磁场的 x、y分量将保持不变，而 z 分量将改变符号。因此，相对于情况下的电磁场，当把和同时改为负号时，电场、磁场将按下面的关系变换： (3-10)由上面(shng min)的关系可求得能流密度的方向(fngxing)(由给出)即图中的 3，而波矢 的方向(fngxing)与 相反，即光线 3 的反方向。此时折射光线与入射光线位于界面法线同侧，相当于折射角为负值（如图3.4所示）,我们把这种折射称为光线的负折射。折射角大小仍由 Snell 定律确定，如果把折射率

20、取为负值的话，Snell 定律仍然成立因此左手性介质也被称为负折射率物质。图3.4左手材料与右手材料的反射与折射 4左手材料的奇异特性4.1负折射效应上面已经介绍过了。4.2反常(fnchng) Doppler 效应(xioyng)多普勒效应(xioyng)是奥地利的物理学家多普勒（Doppler，1803-1853）于1842年发现的。由波动理论可知，当波源和观察者互相接近时，观察到的振动频率增加；当两者互相远离时，观察到的振动频率减少，这就是著名的Doppler效应。一列迎面开来的火车的笛声的频率逐渐增加，音调变高；反之，笛声的频率逐渐减小，音调变低。但LHMs内传播的波的相速度和群速度方

21、向相反，所以如果二者相向而行，观察者接收到的频率会降低，反之则会升高，从而出现反常Doppler效应。如当反射界面相对于波源后退时，反射波频率在普通材料内降低，而在LHMs中却会升高（如图4.1所示）。2003年，世界权威杂志Science期刊报道了一种可产生反常Doppler效应的电子装置，引起了社会轰动。反常Doppler效应的实现有着广泛的应用前景，如可应用于制备体积小、成本低、频段宽的GHz高频电磁脉冲发生装置。LHMs中的反常Doppler效应有望对该领域产生革命性的影响。若光源发出频率 的光，而侦测器以速度v接近光源时，在一般介质之中侦测器所接收到的电磁波频率将比 高，而在左手材料

22、中，则会收到比低的频率。图4.1 一般介质与左手材料中Doppler效应的比较4.3反常(fnchng) cherenkov 辐射(fsh)Cherenkon 辐射(fsh)是 1934 年苏联物理学家 Cherenkon 发现的，在真空中，匀速运动的带电粒子不会辐射电磁波。而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，从而在其路径上形成一系列次波源，分别发出次波。当粒子速度超过介质中光速时，这些次波互相干涉，从而辐射出电磁场，称为 Cherenkov 辐射。正常材料中，干涉后形成的波前，即等相面是一个锥面。电磁波的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

23、量辐射的方向与粒子运动方向夹角。在 Cerenkov 辐射效应中，当一个粒子在介质中以速度 v 沿一直线运动，其辐射出的场会遵循 的形式，波向量 () 的方向会主要顺着v的方向，但方向分量则在一般介质与左手材料中恰好会完全相反，如同4.2（a）所示。电磁辐射对反射体造成的光压，在左手材料的环境之中形成对反射体的拉曳力，而不是如在一般介质中的压力，如图4.2（b）所示。 图4.2 一般介质与左手材料中的比较：(a) Cerenkov效应；(b) 光压5.左手材料的实验制备(zhbi)和研究现状5.1左手材料的实验(shyn)制备 左手材料(cilio)的人工等效实现可分为两类:一是以Smith教

24、授等人提出的金属谐振结构8为基础的结构变化;二是以美国Oliner和加拿大Eleftheriades教授等人提出的左手传输线等效电路模型结构.目前用以实现左手材料的主要方法是金属谐振周期结构.图5.1(a)为该实验用的一个单元开环谐振器(CRR)，形状是圆形，c=0.8 mm, d=0.2 mm, r=1.5 mm，后来Smith和Shelby对此进行了改造，将 SRR做成正方形，如图5.1 (b)所示.改进后的频率上升到10.210.8 GHz.当有垂直于环面的磁场振动时，环内产生振荡电流与电荷，有效介电常数和磁导率满足下式: （4-1） （4-2）其中是电了的等离了体频率，。是电谐振频率，

25、当频率位于两者之问时就会出现负介电常数.F为SRR的填充因子，当是SRR的谐振频率,是体系的磁共振频率，为损耗因了.当频率位于和之间时，则能产生负的磁导率.通过设计可使频率处于既能产生负介电常数又能形成负磁导率的一个共同区域内，形成双负的负折射率介质.其样品如图5.2所示，首次实现了左手材料的制备.图5.1单元开环谐振器图5.2金属开环共振器与细导线的左手人工介质在微波领域(ln y)，基于对SRR和Rod的完善和变型、改造，研究人员已经制备(zhbi)出性能越来越好的左手材料.2005年，Fang等人报道了他们的研究成果，用实验方法验证了左手(zushu)材料的“完美透镜”现象9;2007年

26、，Zhou制备了树枝结构的左手材料10;2008年，Zhan制备出了二维交义S型各向同性左手材料，较非交义S型材料具有更好的左手材料性能11 在红外波段，浙江大学的陈红胜等直接利用S型结构，可以不加金属导线就实现负的折射率12.他们还另辟蹊径分别研究了将开口谐振环与金属线集合于一起的“弓”型、“”型、“工”型结构单元13-15，其结构具有带宽宽、损耗低、易于加工等多种优点.2007年，Zhao研究设计了六边形SRR，该材料是由准周期性排列的六边形单元的铜树枝结构和银膜组成的结构阵列，发展了双模板辅助化学电沉积的方法，制备出多响应频带、低损耗、大尺寸(13 )光波段左手超材料;样品在红外波段1.

27、282.60波长范围内，出现峰高为11%59%的多频带透射通带谱，具有明显的平板聚焦效应.Zhao对实验结果进行模拟验证，得到了多频带透射通带和磁导率、介电常数、折射率同时为负的结果，并对左手材料中缺陷效应进行了系统的研究，取得了一些有意义的结果16-l75.2左手材料研究现状LHM 人工实现后 ,目前主要工作集中在理论深化研究、材料结构探索和实验验证几部分。R. Ruppin 对左手材料中电磁能量和表面极化情况进行了分析18,Alexander A. Zharov 等人分析了左手材料的非线性特性19。I. S. Nefedov20及 Ilya V. Shadrivov21等人对左手材料在波导

28、中的特性进行了研究 , Hu Li2angbin22也对各向异性的左手材料进行了理论上的研究 ,使得人们对左手材料的本质及其特性的了解更加深刻 ,对其实现和应用也起到了指导作用。电磁波在 L HM 中的传输(chun sh)特性一直是研究中的热点。P. Markos 用传输(chun sh)矩阵( TMM) 法23对左手材料中波(zhngb)的传输和吸收特性进行了分析。Ekmel24通过试验指出 ,电磁波通过试验样品后 ,在谐振频带范围内波传输能量的最高值可达到 - 1.3dB ,平均值也为- 4.5dB，该值比以往报道的复合材料的传输性都要高 ,说明大部分电磁波都进入到材料中 ,能量反射很低

29、。Smith根据左手材料的传输和反射特性的仿真和测量结果提出了计算其等效介电常数和磁导率的方法25。在对LHM 的结构研究上 ,C. D.Moss26、H.Mosallaei27采用 FDTD法对左手材料进行了仿真验证 ,T.Wei2land28、Philippe Gay2Balmaz29及 P. Markos30也通过仿真讨论了 L HM 单元结构尺寸的变化对材料性能的影响。S.O.Brien 和 J.B.Pendry 对工作在红外波段的纳米结构的对称环和 LHM 进行了设计31,Jens2en Li32也对类似的结构进行了分析。在一、二维左手材料的相继实现后 , Philippe Gay2

30、Balmaz 提出了三维各向同性的 SRR 结构33,Richard W. Ziolkowski 提出在 Rod 和 SRR 结构基础上加载电容从而构成左手材料34。由于光子晶体可以同时存在正负两种折射特性 , Chiyan Luo35和 G. Shvets36认为也可以用它来制备左手材料。新的 研 究 方 法 也 相 应 提 出。如 George V.Eleftheriades 提出了传输线模型37,他将传输线中的电感、电容和电阻与左手材料中的 Rod 和 SRR 相对应。这样不仅便于分析 L HM 的特性 ,而且可以构造具有左手特性的电路38,成为研究过程中的一个独特领域。6.左手材料的潜

31、在应用从左手材料表现出的新颖电磁特性 ,其潜在的应用研究也逐渐提上日程。比如左手材料在其特性频带范围内对电磁波有较高的传输 ,即实现电磁波从原来的禁带到导带的转变 ,可以有效地降低特定频带范围的电磁波反射 ,利用这一特性可以应用到隐身领域中。另外 Pendry 对L HM 可制成超级透镜进行了预言39。利用左手(zushu)材料负折射特性 ,LHM 平板可使点源发出的波重新(chngxn)汇聚 ,可以进行微波镜像分析 ,如图 6.1 所示 ,若 A 点放置实际天线(tinxin) ,经过左手材料平板在 B 处成像 ,从而相当于天线在 B 处辐射一样 ,在军事中可以起到隐蔽天线 A 的作用。在微

32、波、光学等领域也隐含着巨大的应用价值。利用平面波在左手材料中坡印亭矢量与相速相反及与双正材料分界面处不规则折射 ,Nader Engheta 提出利用 L HM 制备超薄谐振腔的概念40。他指出 ,对于左手材料和普通材料构成的谐振腔左手材料起了相位补偿作用 ,使得谐振频率和谐振腔厚度无关而只与两种材料的厚度比例有关 ,这样可以构造远小于半波长尺度的超薄谐振腔 ,结构如图 6.2 所示。图6.2超薄谐振腔结构 : d1 、d2 之比而不是两者之和成为主要制约因数图6.1左手媒质做成的透镜对光的折射7.结语(jiy)左手材料的实现开辟了一个新的研究领域 ,要对表现出的新颖电磁特性进行解释 ,理论上

33、需要进一步完善。目前研究仍主要集中在微波频带 ,以实验现象和测量分析为主。现有材料对 电磁波的响应有明显的各向异性 ,并且存在(cnzi)带宽窄和损耗大的缺点 ,限制了其应用范围。因此设计新的结构和对现有的材料进行优化将是今后进一步研究的主要任务。左手材料具有独特的电磁特性(txng)和潜在的应用前景,对于它 的研究开创 了一个全新的领域,随着左手材料研究的发展,许多原有的技术将得到新的发展和突破。对左手材料 的研究已经成为国际科学界关注 的热点,它吸引了许多科研究者的兴趣,未来左手材料在科技进步和工程应用上必将发挥出其巨大的作用。参考文献1VESELAGO V G. The electrod

34、ynamics of substances with simultaneously negative of and J. Sov Phys Usp，1968（10）：509-514.2PENDRY J B，HOLDEN A J，STEWART W J，et al. Extremely low frequency plasmonsin metallic mesostructures J. Phys RevLett，1996（76）：4773-4776.3PENDRY J B，HOLDEN A J，ROBBINS D J，et al. Low frequency plasmons in thin-

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36、.6SMITH D R，WILLIE J，PADILLA D C，et al. Composite medium with simultaneously negative permeability and permittivityJ.Phys Rev Lett，2000（84）：4184-4187.7PARAZZOLI C G，GREEGOR R B，LI K，et al. Experimental verification and simulation of negative index of refraction usingSnells lawJ. Phys Rev Lett，2003（9

37、0）：107401.8HOUCK A A，BROCK J B，CHUANG I L. Experimental observations of a Left-Handedmaterial that Obeys Snells LawJ. PhysRev Lett，2003（90）：137401.9FANG N，LEE H，SUN C，et al. Sub-diffraction-limited optical imaging with a silver superlensJ. Science，2005（308）：534-537.10ZHOU X，ZHAO X P. Resonant condit

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