人工电磁材料及其隐身技术

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1、科技文献综述竞赛论文题目：人工电磁材料及其隐身技术姓名：李玉箫、冯韵岚、罗雪、李典专业：电子信息科学与技术指导教师：曾晓东左手系中的超级隐形---人工电磁材料及其隐身技术摘要：人工电磁材料，又称超材料，顾名思义，超越天然材料的极限，是具有天然材料所不具备的的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。其性质往往决定于人工结构，是目前电磁学和材料学等领域的前沿。而其中，左手材料尤受关注。本文从理论构想和实验两个方面对左手材料做了详细的综述,围绕人工电磁材料研究进展这一主线,具体介绍了实现左手介质的方法。本文着重综述两方面：一是左

2、手材料及负折射，二是其最有应用前景的隐身技术。并针对前者的性质自主做了理论推导和实验验证，以学生角度对超材料研究现状提出设想与愿望。关键词：超材料；左手材料；隐身技术；负折射；完美透镜。引言：从中国古老传说中“崂山道士”穿墙无影，到美国科幻大片《复仇者联盟》中高科技飞机消失的场面，人类对隐形技术的热望古老而强烈。隐身技术一直是各国精英探索研讨的热门话题，从公元6世纪的忍术，二战期间使用的伪装欺骗术，到而今的电磁隐身，可谓大有进展。而与传统隐形技术中玩弄视觉技巧不同，电磁隐形是通过人工设计，在不违背物理学规律的前提下，实现

3、真正的科学隐形。隐形技术基于对抗战争中应对无线电技术和雷达探测系统而提出，为了降低目标雷达、红外、激光等可探测性信号特征，使之难被探测、识别、跟踪和攻击。近代科学证明，隐形术并非无稽之谈，在麦克斯韦场方程中即有对负折射率的预言。二战期间，曾有秘密报道说明爱因斯坦博士为了验证电磁隐形，与美军实行了费域实验。2001年加州大学的DavidSmith等人根据Pendry等人的建议，利用以铜为主的复合材料首次制造出在微波波段具有负介电常数、负磁导率的物质，并观察到了其中的反常折射定律。从而引起科学界对超材料的关注。超材料主要分为

4、光子晶体与左手材料，二者尚在实验室阶段，就相继被Science杂志评为当年世界的“十大科学进展”，其意义不言而喻。在略研究电磁学知识体系和光学发展后，笔者以为光子晶体的理论尚未成熟，左手系中的光学隐形前景更为直接和可观，故本文主要探究左手系中的光学隐形。本论：1、基本概念和意义超颖材料英文为Metamaterial，广义来讲即是具有超常物理性质的人工复合材料。按目前的研究思想，主要是通过在传统媒质材料中嵌入某种周期或非周期结构的单元，构造出自然媒质不具有的新型电磁特性的人工周期材料。除了具有特殊物理性质外，优势还在于它新

5、颖的材料设计思想：人为突破某些表观的自然规律的限制，通过多种物理结构上的改造人工得到所需的“新物质”，这无疑把功能材料的设计和开发带入一个崭新的天地。左手材料就是介电常数ε<0、磁导率μ<0的材料，是一种人工制备的亚观材料。当平面电磁波在ε和μ同时为负值的材料中传播时，电磁波的电场矢量E、磁场矢量H和波矢量k之间服从左手螺旋定则，因此将这类材料命名为左手材料（LHMs）（相应把遵循右手螺旋定则的材料命名为右手材料）。如果媒质的介电常数和磁导率均为负数的话(左手材料),媒质因具有负折射率而会表现出很多奇特的性质,有反常Ch

6、erenkov辐射、反常Doppler效应、反Goos-Hanchen位移、负光压和超级透镜效应。2、理论推导众所周知，麦克斯韦理论表明，电磁波在普通介质中传播遵循右手定则，而若是对一种奇异介质，在这种介质中，电场强度、磁场强度和电磁波矢之间遵循左手定则，那么光线便可“绕”过物体，物体的光不能正常反射和射入眼睛，物体便在我们面前隐形了，这便是左手材料的工作原理。介电常数ε和磁导率μ是描述物质电磁性质的基本物理量，也是描述电磁波在物质中传播的重要物理量，决定着电磁波在物质中的传播特性。介电常数ε和磁导率μ是频率的函数，在某

7、一时刻，电位移矢量和磁感应强度矢量决定于电场强度和磁场强度。当ω→0，ε（ω）和μ（ω）趋于其正的静态值；ω→∞时，由于极化过程跟不上频率的变化，ε（ω）和μ（ω）趋于1。因此，在两个极限情况下，ε（ω）和μ（ω）均为正值。但在中间频率阶段，可取负值。如金属材料在等离子频率以下具有负的ε（ω）值，铁磁体在铁磁共振附近具有负的μ（ω）值。历史上，电动力学仅研究ε（ω）和μ（ω）均为正，或其中一个值为负的情况。如果ε和μ同时为正值，则电场、磁场和传播方向形成了右手矢量关系，这就是通常右手材料的情形。但如果ε和μ同时为负值，则

8、电场、磁场和传播方向形成了左手矢量关系，这也就是“左手材料”称谓的由来。下面是用笔者电磁学知识对负折射率的推导：图Liselago在1967年预言了负折射率的存在。在此介质中，介电常数ε和磁导率μ为负，电场、磁场和波矢成左手系，故负折射率介质也称为左手介质，负折射率材料中，能流方面和相速度方向相反。那么光射到其上呢?