微波左手材料的負(fù)折射及其缺陷調(diào)控效應(yīng).pdf

1、左手材料(Left-handedmetamaterials,LHMs)是一種介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)的人工周期性結(jié)構(gòu)材料，由于其中傳播的電場(chǎng)矢量-E、磁場(chǎng)矢量-B以及波傳播方向-K滿足左手定則而得名。左手材料中傳播的相速度和群速度方向相反，因而表現(xiàn)出一系列奇異的電磁學(xué)特性，如反常Doppler效應(yīng)、反常Cherenkov輻射、反常Goos-Hanchen位移、負(fù)折射效應(yīng)和完美透鏡效應(yīng)等。左手材料的概念最早被前蘇聯(lián)物理學(xué)家Veslago于

2、1968年提出，但由于自然界不存在這種性質(zhì)特異的物質(zhì)，所以在其后近30年左手材料的發(fā)展近乎處于停滯狀態(tài)。隨著人工周期性材料的發(fā)展，左手材料也快速的發(fā)展起來。特別是英國皇家學(xué)院院士Pendry教授對(duì)于該領(lǐng)域的研究，2001年，Smith等人在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了金屬開口諧振環(huán)及金屬線陣列的制備以及負(fù)折射實(shí)驗(yàn)，左手材料受到了廣泛的關(guān)注。2003年，左手材料被美國Science雜志評(píng)為十大科技突破之一。目前，左手材料的研究集中在其與電磁波相互作用上

3、，如透射行為、反射行為、負(fù)折射行為。所研究的左手材料為均勻結(jié)構(gòu)單元材料，但在材料制備過程中，由于制備工藝的限制很難保證結(jié)構(gòu)單元的均勻性和排列的規(guī)則性，因而缺陷不可避免。紅外、可見光波段的左手材料的結(jié)構(gòu)單元為微、納米量級(jí)，所以缺陷的研究就顯得尤為重要。 本文利用平板波導(dǎo)法研究了左手材料的負(fù)折射行為，并系統(tǒng)研究了缺陷對(duì)其負(fù)折射率的調(diào)控行為。采用電路板刻蝕技術(shù)制備了金屬六邊形開口諧振環(huán)(Splitringresonators,SRRs

4、)及金屬銅導(dǎo)線組合而成的左手材料。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，引入缺陷后，左手材料負(fù)折射測(cè)量中的功率峰值和負(fù)折射率均發(fā)生了一定的變化。另外，本文還對(duì)負(fù)磁導(dǎo)率材料(Negativepermeabilitymaterials)、負(fù)介電常數(shù)材料(Negativepermittivitymaterials)以及左手材料在斜入射情況下的微波反射特性進(jìn)行了研究。得到如下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 1.對(duì)微波斜入射時(shí)左手材料的反射行為進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論： (1

5、)負(fù)磁導(dǎo)率材料反射率曲線形成反射峰，其對(duì)應(yīng)的反射峰頻率與材料的諧振頻率一致； (2)負(fù)介電常數(shù)材料反射率接近0dB； (3)左手材料出現(xiàn)單個(gè)反射較小的反射峰，其峰值反射率隨入射角度的增大而變大，即反射能力增強(qiáng)，且反射峰與左手透射峰有相對(duì)頻移，分析認(rèn)為不同層間SRRs的相互作用是導(dǎo)致其頻移的原因； (4)參考Smith測(cè)量左手材料負(fù)折射的方法，設(shè)計(jì)制作了平行板波導(dǎo)微波負(fù)折射測(cè)量裝置。測(cè)量了由銅六邊形SRRs和銅導(dǎo)線

6、周期排列而成的LHMs的負(fù)折射效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)其左手頻段內(nèi)9800MHz處的折射率為-0.796。 2.實(shí)驗(yàn)研究了引入缺陷的情況下左手材料負(fù)折射行為的變化，一定程度上實(shí)現(xiàn)了對(duì)左手材料負(fù)折射率的調(diào)控。實(shí)驗(yàn)得到以下結(jié)論： (1)引入點(diǎn)缺陷Ⅰ和Ⅱ時(shí)，功率峰值之比分別為1.035和1.256，負(fù)折射率由無缺陷時(shí)的-0.281變化到-0.308和-0.336，絕對(duì)值增大了9.6﹪和19.6﹪；(2)引入空位缺陷Ⅰ，功率峰值之比在0.43