微波左手材料的负折射及其缺陷调控效应.pdf

左手材料(Left-handedmetamaterials,LHMs)是一种介电常数和磁导率同时为负的人工周期性结构材料，由于其中传播的电场矢量-E、磁场矢量-B以及波传播方向-K满足左手定则而得名。左手材料中传播的相速度和群速度方向相反，因而表现出一系列奇异的电磁学特性，如反常Doppler效应、反常Cherenkov辐射、反常Goos-Hanchen位移、负折射效应和完美透镜效应等。左手材料的概念最早被前苏联物理学家Veslago于1968年提出，但由于自然界不存在这种性质特异的物质，所以在其后近30年左手材料的发展近乎处于停滞状态。随着人工周期性材料的发展，左手材料也快速的发展起来。特别是英国皇家学院院士Pendry教授对于该领域的研究，2001年，Smith等人在此基础上进行了金属开口谐振环及金属线阵列的制备以及负折射实验，左手材料受到了广泛的关注。2003年，左手材料被美国Science杂志评为十大科技突破之一。目前，左手材料的研究集中在其与电磁波相互作用上，如透射行为、反射行为、负折射行为。所研究的左手材料为均匀结构单元材料，但在材料制备过程中，由于制备工艺的限制很难保证结构单元的均匀性和排列的规则性，因而缺陷不可避免。红外、可见光波段的左手材料的结构单元为微、纳米量级，所以缺陷的研究就显得尤为重要。 本文利用平板波导法研究了左手材料的负折射行为，并系统研究了缺陷对其负折射率的调控行为。采用电路板刻蚀技术制备了金属六边形开口谐振环(Splitringresonators,SRRs)及金属铜导线组合而成的左手材料。实验发现，引入缺陷后，左手材料负折射测量中的功率峰值和负折射率均发生了一定的变化。另外，本文还对负磁导率材料(Negativepermeabilitymaterials)、负介电常数材料(Negativepermittivitymaterials)以及左手材料在斜入射情况下的微波反射特性进行了研究。得到如下的实验结果。 1.对微波斜入射时左手材料的反射行为进行了研究，得到以下结论： (1)负磁导率材料反射率曲线形成反射峰，其对应的反射峰频率与材料的谐振频率一致； (2)负介电常数材料反射率接近0dB； (3)左手材料出现单个反射较小的反射峰，其峰值反射率随入射角度的增大而变大，即反射能力增强，且反射峰与左手透射峰有相对频移，分析认为不同层间SRRs的相互作用是导致其频移的原因； (4)参考Smith测量左手材料负折射的方法，设计制作了平行板波导微波负折射测量装置。测量了由铜六边形SRRs和铜导线周期排列而成的LHMs的负折射效应，发现其左手频段内9800MHz处的折射率为-0.796。 2.实验研究了引入缺陷的情况下左手材料负折射行为的变化，一定程度上实现了对左手材料负折射率的调控。实验得到以下结论： (1)引入点缺陷Ⅰ和Ⅱ时，功率峰值之比分别为1.035和1.256，负折射率由无缺陷时的-0.281变化到-0.308和-0.336，绝对值增大了9.6﹪和19.6﹪；(2)引入空位缺陷Ⅰ，功率峰值之比在0.436-1.973范围内，负折射率在-0.308-0.473范围内变化，绝对值增大了9.6﹪-68.33﹪；引入空位缺陷Ⅱ和Ⅲ，功率峰值之比在0.364-1.576范围内，负折射率在-0.364--0.473范围内变化，绝对值增大了29.5﹪-68.33﹪。不同空位缺陷对材料的周期结构改变不同，其缺陷效应差异较大。

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