双负介质平板对电磁波的反射和透射特性研究【文献综述】.doc

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1、毕业设计文献综述通信工程双负介质平板对电磁波的反射和透射特性研究摘要：综述了双负介质的理论与法研究方面取得的进展。介绍了若干双负介质的基本性质及应用。分析了制备双负介质的方法。介绍了双负介质平板对电磁波的反射和透射特性的基本研究方法。关键词：双负介质；逆多普勒效应；完美透镜；传输矩阵；负折射。1.引言双负介质(DNG)也称左手介质(LHM),其介电常数占和磁导率"均为负值，是最早于1967年由前苏联物理学家VeselagoH在理论上预言了的特殊介质。双负介质中电磁波的电场强度云、磁场强度厂和波矢量，之间呈左手螺旋关系，且其折射率也为负值

2、。Veselago同时指出，它还具有许多反常的电磁学现彖，例如反多普勒效应、反常切伦科夫辐射等。这一发现开始引起人们极大的兴趣。近年来双负介质因其异常的电磁特性，特别是在材料科学、光学和生物医学等领域内的应用前景，得到了越来越多的关注，成为电磁学研究的热点。如亚波长聚焦的平板“完美透镜”、高指向性的天线、电磁波隐身以及新颖的微波器件和光了器件等等。2.双负介质的电磁学性质从理论上说，运用麦克斯韦方程组，可以得到：乃=±7^"(1)式屮：斤为介质折射率，》为相对介电常数，为相对磁导率。可以看出，麦克斯韦方程允许％和仏取负值。根据电磁理论，

3、当介质的£和“同为正或负时，电磁波能够在其中传播；而当0和“为一正一负时，电磁波表现为倏逝波，不能在物质屮传播—一般取正值的原因在于自然界没有发现折射率为负的介质。若现在考虑双负介质的情况，则有以下讨论：(1)麦克斯韦方稈可简化为如下形式-1-一H=KxEa)p一1一一E=KxHcopS=ExH（2）可得右手介质中电场E、磁场亓和波矢斤三者构成右手关系；在双负介质屮，由于,//

4、亭矢量£代表能流传播方向即群速度方向，因此左手介质是一种相速度和群速度方向相反的物质。（2）逆多普勒效应。如果电磁波波在负折射材料屮传播时，由于其能最传播方向与相位传播方向相反，就会使探测频率反而大于波源的频率，称Z为逆多普勒效应（3）反常切伦科夫效应一个粒了以速度v在介质屮沿一直线运动时会在其周围产生引导电流，在其路径上形成一系列次波源，发出次波。当粒了速度超过介质中的光速，次波就会相互干涉，辐射电磁波。在右手性介质屮，辐射圜锥在粒了运动轨迹的反方向上，而在双负介质屮，辐射恻锥则在粒了运动轨迹的同方向上。如图1所示：（4）完美透镜。传

5、统的光学显微镜分辨率受Rayleigh衍射极限的限制，可分辨的最小结构约为半个波长。此要想突破光学分辨率极限，必须想办法使倏逝波参与成像。Pendry：3'在2000年发表于PRL的一篇论文屮证明了：当£二-1,“二-1时，双负介质平板透镜不仅能够捕获光场的传播波成分，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，他把这种透镜称为“完美透镜”（perfectlens）o由于。完美透镜中,左手介质与右手介质的波矢方向恰好相反，因此在右手介质屮的衰减场进入左手介质后变为增强场，右手介质屮的增强场进入左手介质后变为衰减场，也因此

6、指数衰减的倏逝波进入完美透镜后由于波矢相反，在完美透镜内变为指数增强，即对倏逝波进行放大，使Z能够参与成像，变成完美透镜。而实际上损耗总是客观存在，在负折射率材料中也不例外诃,只是相对完美。1.双负介质的制备双负介质在H然界屮并不存在，只有通过人工合成来制备。研究者在具有SRRs和导线阵列基础上不断优化实验，制备了各种微波段的负折射率材料，也有人采用电容和电感组合实现负折射，上述两种方法的原理部是通过设计材料使之产生电共振和磁共振使得介电常数£〈0和磁导率“〈0,实现负折射。如果单考虑£〈0的话，那么金屈就是一个很好的例了，由于表面等离

7、了体激元的存在，金属对入射场的响应有90。的位相延迟，因此其介电常数£为负值。磁场屮并不存在像金属表面自由电荷那样的白由磁荷，通过人T合成的方法制作小的“自由磁偶极子”来构造“〈0的材料,然后尝试把0和“〈0的材料组合在一起得到同时满足£〈0和“〈0的双负介质。Pendry在1999年指出,利用图2中所示的开口环共振器开环谐振腔(splitringres2onator,SRR)就可以得到负的“：当频率稍低于共振频率时，磁导率“为负值⑸。2001年，加州大学圣迭戈分校的Smith7等物理学家成功地实现了这种构想，制作出双负介质并通过实验观

8、察到了光线的负折射。图2近几年来，研究者把纳米科技应用到双负介质的设计中，分别实现了光频段的磁共振和电共振■8'l，］o,但始终很难实现光频段负折射现象，肓到双金属线的出现，其损耗较大，仍需进一步改进⑵。1