微波左手材料的負折射及其缺陷調控效應.pdf

1、左手材料(Left-handedmetamaterials,LHMs)是一種介電常數和磁導率同時為負的人工周期性結構材料，由于其中傳播的電場矢量-E、磁場矢量-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特性，如反常Doppler效應、反常Cherenkov輻射、反常Goos-Hanchen位移、負折射效應和完美透鏡效應等。左手材料的概念最早被前蘇聯(lián)物理學家Veslago于

2、1968年提出，但由于自然界不存在這種性質特異的物質，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。特別是英國皇家學院院士Pendry教授對于該領域的研究，2001年，Smith等人在此基礎上進行了金屬開口諧振環(huán)及金屬線陣列的制備以及負折射實驗，左手材料受到了廣泛的關注。2003年，左手材料被美國Science雜志評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、負折射行為。所研究的左手材料為均勻結構單元材料，但在材料制備過程中，由于制備工藝的限制很難保證結構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構單元為微、納米量級，所以缺陷的研究就顯得尤為重要。 本文利用平板波導法研究了左手材料的負折射行為，并系統(tǒng)研究了缺陷對其負折射率的調控行為。采用電路板刻蝕技術制備了金屬六邊形開口諧振環(huán)(Splitringresonators,SRRs

4、)及金屬銅導線組合而成的左手材料。實驗發(fā)現(xiàn)，引入缺陷后，左手材料負折射測量中的功率峰值和負折射率均發(fā)生了一定的變化。另外，本文還對負磁導率材料(Negativepermeabilitymaterials)、負介電常數材料(Negativepermittivitymaterials)以及左手材料在斜入射情況下的微波反射特性進行了研究。得到如下的實驗結果。 1.對微波斜入射時左手材料的反射行為進行了研究，得到以下結論： (1

5、)負磁導率材料反射率曲線形成反射峰，其對應的反射峰頻率與材料的諧振頻率一致； (2)負介電常數材料反射率接近0dB； (3)左手材料出現(xiàn)單個反射較小的反射峰，其峰值反射率隨入射角度的增大而變大，即反射能力增強，且反射峰與左手透射峰有相對頻移，分析認為不同層間SRRs的相互作用是導致其頻移的原因； (4)參考Smith測量左手材料負折射的方法，設計制作了平行板波導微波負折射測量裝置。測量了由銅六邊形SRRs和銅導線

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